面向5G應用的OQAM-OFDM調制：原理、技術和挑戰(通訊)
面向5G應用的OQAM-OFDM調制：原理、技術和挑戰(通訊)
李俊，田苑，邱玉，陳達，江濤
（華中科技大學，湖北武漢430074）
摘 要：OFDM因其本身存在的技術缺陷，已經很難滿足未來5G支持更多通信設備連接和多樣化通信場景的需求。作為OFDM技術的一種替代方案，OQAM-OFDM技術采用了具有良好頻域聚焦特性的原型濾波器，為其在5G中的應用提供了廣闊的前景。首先簡要介紹OQAM-OFDM系統的基本原理和特性，在此基礎上，進一步分析其在5c應用中的優勢，最后闡述了OQAM-OFDM應用在5G中的關鍵技術問題，包括拖尾抑制等。
關鍵詞：SG；OQAM-OFDM；OFDM；原型濾波器；拖尾抑制
中圖分類號：TP393 doi: 10,11959/j.issn.1000-0801.2016157
1 引言
在過去的30年中，移動通信呈現高速發展態勢，從只支持語音業務的第一代(1G)移動通信系統演進到可支持高速寬帶數據業務的第四代(4C)移動通信系統，為人類生活提供了極大便利。作為面向2020年以后移動通信需求的新系統，第五代(5G)移動通信系統面臨數據流量的指數增長、海量設備的連接和多樣化的業務需求等嚴峻挑戰。與4G相比，5G不僅要支持更高的傳輸速率，還要支持低功耗大連接、低時延高可靠等更加多樣化的場景。
由于具有頻譜利用率高、實現復雜度低和對抗頻率選擇性衰落能力強等優勢，正交頻分復用( orthogonalfrequency division multiplexing，OFDM)技術被廣泛應用于各類移動通信系統，并成為4G的物理層核心調制技術。 然而，一方面、OFDM技術需要使用循環前綴來對抗多徑衰落，造成了頻譜資源的浪費；另一方面，OFDM技術對同步要求很高，參數無法靈活配置，難以支持5G多樣化的應用場景。在此背景下，國內外已經開展了一系列有關新型多載波調制技術的探索性研究，其中，基于交錯正交幅度調制的正交頻分復用(offset quadrature amplitude modulationbased orthogonal frequency division multiplexing,OQAM-OFDM）技術受到了學術界和工業界越來越廣泛的重視。相比于OFDM技術，OQAM-OFDM使用具有良好頻域聚焦特性的原型濾波器，能有效克服由多徑效應引起的符號間干擾和載波間干擾。此外，OQAM-OFDM技術具有很低的帶外干擾，各載波之間不需要嚴格同步，能夠支持更多樣的化業務需求。目前，OQAM-OFDM技術已成為了5GNOW、PHYDYAS以及METIS等歐盟項目的重點研究內容，并且被我國IMT-2020(5G)推進組納入了5G物理層調制波形的主要候選方案。本文首先介紹OQAM-OFDM系統基本原理和特性，然后分析其在5G中的應用優勢，最后歸納了OQAM-OFDM應用于5G的關鍵技術問題。
2 0QAM-OFDM系統
OFDM技術存在一個主要缺陷，即其采用的時域矩形窗使得子載波頻域波形呈現SINC函數形狀，導致了嚴重的帶外泄漏。該缺陷引發的一系列問題使得OFDM難以勝任5G提出的更高技術指標需求和更復雜應用場景支持的挑戰。不同于OFDM使用的時域矩形窗，OQAM-OFDM每個載波上的調制信號都通過一個精心設計的原型濾波器來塑形，從而獲得良好的信號頻域聚焦性。圖1展示了OFDM與OQAM-OFDM的脈沖時間響應與頻率響應對比。
圖1(a)中OFDM采用的是一個時域矩形窗，OQAM-OFDM采用了一個優化后的升余弦濾波器，對應的頻率響應如圖1(b)所示?？梢钥吹?/font>,OFDM矩形窗在頻域上具有非常高的旁瓣，第一個旁瓣只比主瓣低十幾dB，而OQAM-OFDM帶外泄漏則非常少。
OQAM-OFDM技術以頻分復用為基本原理，其結構的特別之處在于收發兩端的濾波器組，兩者都是原型濾波器經過頻移后得到的。圖2是OQAM-OFDM系統的一種快速實現框架，通過使用FFT/IFFT能夠極大降低實現復雜度。與OFDM系統不同的是，OQAM-OFDM的輸入信號是原始復數信號經過取實部和取虛部操作后的兩個實數符號，并且每個實數符號持續時間是原始復數符號的一半。然后將實數符號通過OQAM預調制，對每個實數符號加上一定的相位實現實虛交錯的結構。之后，實虛交錯數據通過發送端的濾波器組被分解為若干個并行的子載波信號。OQAM-OFDM系統接收端同樣有一組濾波器用于多載波信號解調，解調后的信號還需要進行相位解調以抵消發射端的預調制處理。然后，再通過信道均衡和取實部處理，得到一組實數符號。最后，將實數符號對應上原始復數符號的實虛部，合成為原始發送數據。
相比于OFDM,OQAM-OFDM具有以下主要優勢：OQAM-OFDM通過使用具有良好頻域聚焦特性的原型濾波器，能夠在不引入循環前綴的情況下有效對抗多徑衰落，避免了循環前綴帶來的頻譜資源浪費；OQAM-OFDM信號的帶外泄露非常微弱，極大降低了對鄰近頻譜其他用戶造成的干擾；極低的信號帶外泄露使得OQAM-OFDM用戶之間不需要保證嚴格的同步和正交，可以較好地支持異步傳輸。
3 0QAM-OFDM在5G應用中的優勢
5G在傳輸速率和資源利用率等方面較4G會有量級提升，并且覆蓋能力、傳輸時延和用戶體驗也將得到顯著的改善。這一系列指標要求都為5G物理層調制技術帶來了極大的挑戰。
3.1 5G需求
為了提高系統吞吐量，5G將支持以毫米波通信為典型的高頻通信技術。高頻信號存在繞射能力差、波束窄和傳播損耗高等缺點，給全網覆蓋、用戶定位等帶來了極大的困難。因此在人群比較密集、通信需求量大的地方，可以利用高頻通信提供距離短而容量大的接入。而在更廣的范圍，仍需要低頻通信聯合組網，實現連續廣域覆蓋。但是，增加頻譜資源始終是一種受限制的解決方案。未來5G移動通信容量的提升不能僅靠頻譜的擴展，還需要引入新的調制技術以提升頻譜使用效率，才能在有限頻譜資源下解決移動通信流量爆炸性增長的
問題。
未來5G移動通信還需要支持低功耗大連接、低時延高可靠的業務。機器與機器( machine to machine．M2M)通信是一種典型的低功耗大連接業務，它允許機器能夠在無人為干預的前提下直接通信。M2M用戶數量大但數據量小且有突發性，維持全網同步和正交不經濟，也不現實。而且，巨大的同步開銷還威脅網絡穩定性。同時，為了滿足車聯網等低時延高可靠業務對時延的需求，用戶需要減少同步開銷，甚至不要同步過程，以避免耗費大量的時間在信令開銷和傳輸等待上。此外，相比4G,5G支持的業務類型將更加豐富。因此需要能夠
根據不同場景的需求，靈活調整參數以適應不同業務類型。
綜上所述，隨著移動通信業務不斷拓展及用戶體驗要求的提升，5G對吞吐量、連接數及時延三維度下的需求提出了更嚴苛的要求。為了應對這一要求，5G需要拋棄同步和正交，在高效利用頻譜資源的情況下達到高速、實時、可靠的數據傳輸。在物理層技術上，主要體現在需要一種高譜效、支持異步傳輸和參數可靈活配置的調制技術。
3.2 0QAM-OFDM技術優勢
(1)高頻譜效率
為了對抗多徑衰落，OFDM系統需要引入循環前綴，導致頻譜利用率下降。此外，OFDM采用時域矩形窗，具有很高的帶外泄漏。為了避免上述缺陷，OQAM-OFDM采用了更為精細的濾波器設計。一方面，濾波器的良好頻域聚焦特性能夠有效對抗多徑衰落，避免了循環前綴的使用，提升頻譜利用率；另一方面，濾波器的良好頻域聚焦特性使得OQAM-OFDM發送信號的帶外泄露非常微弱，極大降低了對鄰近頻譜其他用戶造成的干擾，如圖3所示。因此，OQAM-OFDM可以有效地應用于非連續頻譜通信中，提升5G頻譜利用率。綜上所述，OQAM-OFDM不僅能夠避免額外頻譜資源開銷，還能有效利用碎片頻譜，實現更高效的頻譜資源利用。
(2)支持異步傳輸
傳統的OFDM信號采用時域矩形窗，頻域聚焦性差。為了保證載波之間的正交性，不同用戶的多載波信號需要保證嚴格的同步，從而導致M2M等大連接通信節點需要耗費大量的時間在信令開銷和傳輸等待上，難以滿足低時延要求。OQAM-OFDM技術使用了性能良好的原型濾波器，帶外泄露低，因此對時間和頻率的同步要求比OFDM技術低，更適合進行異步傳輸。
(3)參數可靈活配置
由于需要嚴格的正交，OFDM系統載波必須設置相同的帶寬，并且各載波之間需要保持完全同步與正交。不同于OFDM技術，OQAM-OFDM采用的是非矩形原型濾波器，其良好的頻域聚焦特性能夠大幅度降低信號旁瓣和帶外泄漏，使得用戶之間不再需要嚴格的同步和正交。因此，OQAM-OFDM各子載波帶寬、子載波交疊程度等都可以靈活調控。這一良好特性不僅為異步傳輸創造了條件，也為5G多樣化業務通信場景提供了靈活配置參數的可能。
4 關鍵技術與挑戰
OQAM-OFDM技術的異步傳傳輸特性為其在5G中的應用奠定了良好的基礎。但是，要想真正實現OQAM-OFDM技術在5G中的商業應用，還有一些關鍵技術問題需要解決。下面從原型濾波器設計、拖尾抑制、多用戶異步通信下的信道估計以及與大規模MIMO結合這幾個方面來分析。
(1)原型濾波器設計
原型濾波器是OQAM-OFDM技術的核心部分，其設計直接影響OQAM-OFDM通信系統的性能。需要指出的是，非矩形原型濾波器的引入破壞了信號的完全正交性，造成了信號間的干擾。因此在未來5G通信場景下，需要結合實際通信環境，設計能夠抑制信號干擾的原型濾波器。
(2)拖尾抑制
OQAM-OFDM技術采用具有較長沖激響應的原型濾波器，信號波形前后會產生較長的拖尾。在較長的數據分組通信場景下，這一拖尾幾乎沒有影響。然而在未來5G場景下，M2M通信包含大量的短幀數據，這使得OQAM-OFDM頻譜效率出現下降?，F有的拖尾抑制方法已經可以去除全部的拖尾，但是會出現一定性能損失。為了解決這一問題，未來需要探索新的拖尾抑制方法，兼顧OQAM-OFDM帶外和誤碼率兩方面的性能，同時有效抑制信號拖尾。
(3)多用戶異步通信下的信道估計
由于OQAM-OFDM信號間的干擾，傳統的OFDM中的信道估計技術需要經過一定調整才能在OQAM-OFDM中使用?，F有OQAM-OFDM信道估計技術很少在多用戶異步通信場景下評估其性能，并且其中多數信道估計方法還要基于低頻率選擇性信道的假設條件。為了支持5G中的多用戶異步通信，需要設計能夠適應高頻率選擇性信道環境的信道估計技術，并有效降低導頻對其他用戶的干擾以及其他用戶對導頻信道估計性能的影響。
(4)與大規模MIMO技術結合
OQAM-OFDM與大規模MIMO技術的結合既可以有效對抗多徑信道衰落、提高頻譜利用率，又可以成百上千倍地提升系統容量，從而應對5C數據流量的增長。然而，目前OQAM-OFDM與大規模MIMO技術的結合尚處于起步階段，還面臨導頻污染和高峰均功率比等方面的問題。
5結束語
世界各國在推動4G產業化工作的同時，已開始著眼于5G的研究。相比4G，5G不僅要支持更高的傳輸速率，還要支持低功耗大連接、低時延高可靠等更加多樣化的場景。為了應對這一嚴峻挑戰，未來5G物理層調制技術必須支持異步傳輸。作為一種支持異步傳輸的多載波技術．OQAM-OFDM受到了廣泛關注。本文在介紹OQAM-OFDM基本原理和特性的基礎上，介紹了5G應用中的優勢主要為：高頻譜效率、支持異步傳輸、參數可靈活配置，最后從原型濾波器設計、拖尾抑制、多用戶異步通信下的信道估計以及與大規模MIMO結合等方面，指出存在的關鍵技術挑戰。
