原标题：《无线演义-技术篇》5G物理层技术漫谈之：新空口波形技术标准之争

技术无线

白开水(马先生) · 2015-11-29 01:45

写在5G系列前言的话：

上一篇Massive MIMO，王CC和一些朋友就说看不懂，里面涉及了太多的专业术语，希望能以更浅显的方式介绍给大家。但是说实话，这个太难了，因为对于5G这个专题而言，需要很多的技术背景，而这些在我原来的写作计划中都会一一介绍。但现在，因为写作顺序的调整，却只能认为大家都已经了解了移动通信的基本知识（如：调制，编码，接入，双工，扩频，信道，抗衰落…）。所以，这系列文章如果看不下去，就算了，我也只是把它当成读书笔记而已。等到按原来《无线演义》的写作计划里介绍完这些关键技术以后，大家再拿来读也一样，如果那时候还看不懂，好吧，那也算了…

前言：

前些天的5G专题第一篇，先和大家聊了聊多天线技术。就像之前开篇和大家介绍的，大规模天线阵列（Massive MIMO）作为5G的核心关键技术，是最没有争议的。因为从哪个角度看，空域的应用都是未来移动通信领域必不可少的一部分。因为随着空时信号处理技术的进一步完善，大规模天线阵列在军工相控阵领域的成熟应用和数字器件处理能力的不断攀升，Massive MIMO 已经可以成为5G必不可少，而最能实现的一部分。

但相比于Massive MIMO的相对成熟而言，新空口技术标准却还是百家争鸣，莫衷一是～

1.什么是新空口

这里，先要给大家介绍一下：什么是新空口？

在了解新空口之前，当然需要先要知道空口的定义。其实，空口就是“空中接口”的简称，是一个形象化的专业术语，是相对于有线通信中的“线路接口”概念而言的。如果说，有线通信中“线路接口”定义了物理尺寸和一系列的电信号或者光信号规范；无线通信技术当中，“空中接口”定义了终端设备与网络设备之间的电波传输的技术规范，使无线通信像有线通信一样可靠。

在我们的移动通信领域，不管是2G/3G/4G还是今天讲的5G，终端用户与基站都是通过“空中接口”来相互连线。而“空中接口”作为基站和终端用户间的无线传输规范，包括物理层，链路层和网络层。现在看来，5G在“空中接口”领域的标准之争，主要还是在物理层。因为各种移动通信技术标准的区别也体现在空中接口的物理层，而且物理层涉及的技术种类繁多（包括调制，编码，接入，双工，天线…），实线复杂度也更高。因此，对于移动通信领域的从业者而言，物理层技术的发展就是移动通信系统发展的标志。

而对于“空中接口”而言，除了前文Massive MIMO涉及的空间信号处理，最重要的就是我们常说的调制技术、纠错技术（通过编码实现）、以及我们处理多用户时遇到的多址接入技术。相比于传统的2G/3G/4G而言，5G在这些方面都有了新的表现形式，所以对于5G的新物理层空口技术，我们把它称之为“新型空中接口。” 因此，今天我们主要聊聊未来5G可能的物理层新技术。

2.新空口之调制方式

调制在通信系统中占有十分重要的地位。只有经过调制才能将基带信号转换成适合于信道传输的已调信号，而且它对系统的传输有效性和可靠性有很大的影响。现有主流的移动通信技术，调制分成两大类，一类是单载波的扩频技术，以CDMA为代表；一类是多载波调制技术，以OFDM为代表。

OFDM（正交频分复用）是一种非常优秀的多载波调制技术，已经被广泛用于多种无线系统中，譬如现在主流的LTE和广电的DVB，都是用的OFDM。OFDM的主要优点是：频谱利用率高；能够很好地克服多径传播的影响；从基带处理的角度看，实现复杂度低。但也存在着峰均比高，对时间和频率敏感，容易引入载波干扰（ICI）和符号干扰（ICI）等问题。

而在频率选择性信道上的误码率（BER）性能方面，单载波和多载波调制的性能相差不大。对于广域场景的上行链路，单载波方式比多载波方式更为有效，因为峰均功率比（PAPR）较低，射频功放的成本低。此外，在使用相同类型的大功率功放情况下，采用单载波方式，将具有更高的发射功率、更大的覆盖和较低的BER，同时终端的待机时间长、成本低。

整体而言，调制方式的选择要综合考虑上下行链路的特点以及实现成本等多方面因素。那么在5G时代，我们的选择是什么呢？还是让我们先来看看主流的5G候选波形技术。

3.新空口之波形技术

根据现有各大厂商提交的候选波形来看：OFDM作为一种重要的多载波技术，不仅仅在4G系统中得到了广泛的应用，而且作为5G系统的重要候选波形之一仍然被众多研究人员所推崇。但是与前几代移动通信系统相比，5G系统设计时不仅要考虑移动宽带业务，同时也会考虑未来对于海量机器连接以及高可靠低时延业务的支持。OFDM原来固有的一些缺陷，对于未来更加多样化的业务，更高的频谱效率以及海量连接，是远远不够的。因此为了满足未来应用的需求，同时考虑到对于低时延，零碎频谱使用，非严格同步以及在高速情况下系统鲁棒性等5G系统所面临的挑战，许多新的多载波波形方案被提出，比如：FBMC，UFMC，GFDM以及F-OFDM等。

3.1 先来看看FBMC（Filter Bank Multi Carrier，基于滤波器组的多载波技术）：

首先说明的是：FBMC和OFDM在历史上还真的一毛钱关系都没有： 60年代中期提出FBMC基本概念的时候，OFDM还没影呢，这要比OFDM的提出还要早……不过由于FBMC复杂度太高一直被埋没。不过借着5G这股东风，FBMC貌似有起死回生的效果。

大家都知道，对于OFDM系统而言，系统带宽内只有一个滤波器，所有的子载波都在这个滤波器内，而且需要子载波完全正交来保证子载波之间没有干扰。和OFDM不同的是，FBMC是给每个子载波都根据需要加了一个单独的滤波器，这样的目的很简单，消除子载波之间的干扰，所以这也是为啥FBMC和OFDM没啥关系的原因，最开始的FBMC压根不需要子载波完全正交。同样的，在OFDM系统中，为了在多径环境下保证子载波的正交性，需要在OFDM符号之前插入循环前缀（CP），而在FBMC系统中，只要滤波器足够好，根本也不需要所谓的CP来对抗载波干扰，所以大大提高了频谱效率。不过，单单靠滤波器是做不了这么大的事儿的，FBMC还有一点和重要，那就是有加了个OQAM的调制方式，来保证正交，这才能完全的不依赖于CP和正交子载波来对抗前面所说的ISI和ICI。而且，可以根据设计的滤波器形式，满足未来5G高时延和低时延的广泛的应用需求。

看上去是不是很牛？又提高了频谱效率，又不要正交，又能通过滤波器抑制带外辐射，又能满足不同场合需求（高时延和低时延）。不过，不要高兴的太早：世界上没有什么是完美的，否则也不会有那么多的竞争对手了。

对于FBMC而言：因为滤波器设计的需要，首先增加了设计系统的复杂度和增加了设备的硬件开销；其次，因为FBMC没有通过CP而仅仅通过滤波器来抵抗ICI，在信道估计时存在很大困难，所以与MIMO结合存在很大的困难，这对FBMC而言，是个致命的缺点；最后，因为子载波的带宽很窄，所以相应滤波器的冲激响应通常很长，阶数要很多，所以对于某些短突发传输的场合并不适用。

3.2再来看看UFMC（Universal Filter Multi Carrier，通用滤波多载波）

从FBMC我们可以看到，虽然FBMC有一些优势，但在MIMO传输和低突发场景中存在的问题可能会降低FBMC的有效性。不过别急，一种针对FBMC的改进方案应运而生，这就是通用滤波多载波UFMC。

UFMC不是像FBMC那样，对每个子载波独立进行滤波操作，而是对一组连续的子载波进行滤波处理。很想然，当每组子载波的数目变成1时，对应的就是FBMC。

对一组连续子载波进行滤波可以使UFMC具有更大的灵活性，它除开具有FBMC传输的优点外，从低带宽、低功率的物联网设备到高带宽的视频传输，UFMC都可以支持。相比于FBMC的滤波器长度，UFMC技术可以使用较短滤波器长度，这样可以支持短突发通信，可以作为未来5G无线系统支持大量MTC（机器通信）和低成本IOT（物联网）传输的一个潜在候选技术。而UFMC只需控制一组连续子载波的旁瓣和带外抑制，可以明显减少旁瓣对邻道的干扰，并降低滤波器实现的复杂度。

同时，在UFMC中，我们可以选择支持增加CP。这会带来两个好处：首先，由于增加了CP，提高了抵抗ICI的能力，更方便的实现信道估计，进而和MIMO技术相结合；另外，根据CP配置的不同，UFMC可以提供不同的子载波带宽和符号长度，可以满足不同业务的视频资源要求。

不过，虽然UFMC比FMBC有更多的优势，但在实际应用中，大尺度的时延扩散，需要更高阶的滤波器来实现。同时，在接收机处也需要更复杂的算法，而增加系统的复杂度。而因为CP并不是必须要添加，所以也会引起符号干扰和子载波间的干扰

3.3还有GFDM（Generalized FrequencyDivision Multiplexing，广义频分复用）

虽然UFMC相比于OFDM和FBMC有了很多的优势，但因为CP的添加并不是必选项，所以对于一些需要松散时间同步以节约能源的应用并不适合。因此，另外一种灵活的多载波调制方法走入了我们的视野，这就是广义频分复用GFDM。

根据GFDM的实现原理：输入数据在变成时域信号后，插入CP，然后再通过发射机发出。根据滤波，信号和业务的变化要求，理论上GFDM可以插入不同类型的CP，允许低复杂度的均衡，因而具有CP-OFDM的简单性。同时，GFDM将若干个时隙和若干个子载波上的统一的处理对象，也是基于多个子载波和符号来实现调制，因而具有UFMC的灵活性。

同时GFDM通过尾比特操作将调制过程由线性卷积转化为循环卷积，增加了带外抑制能力，因而具备FBMC的抗子载波干扰能力。而且，GFDM的每一个或每一组子载波处理都可以当成是单载波的频域均衡，所以在减少信号的峰均比上有明显优势。

这么看来，好像GFDM比FBMC和UFMC更适合未来5G的传输需求。当然，它是以增加复杂度来作为代价的。

3.4最后是F-OFDM（Filtered/Flexible OFDM，滤波/灵活的OFDM）

相比于前面给大家介绍的FBMC，UFMC和GFDM，F-OFDM简直没啥可说的，因为和OFDM差不了太多，本质上是为了进一步扩展OFDM的应用范围而进行的升级和更新。

对于传统的OFDM，其时频图里，频域子载波带宽是固定的，时域符号周期长度是固定的，CP和保护时隙（GP）也是固定的。那么问题就来了：相对于5G的广泛应用范围，单一的固定参数就无法满足要求。就像之前介绍的：高速的车联网和低速的物联网，对系统的要求完全不同。因此，F-OFDM就提出了一个新的理念：各种不同的应用需求，OFDM应该能够灵活的配置各种参数（子载波带宽，符号长度，CP和GP长度…），这就是F-OFDM的理念，所以把它成为滤波或者灵活的OFDM。而其他所有的处理流程，OFDM里该有的，F-OFDM里也都有。所以OFDM就是F-OFDM的一种特定形式而已。

这个时候问题来了：如果带宽都不固定，那所谓的正交子载波理论上就无法成立了，就像FBMC和UFMC一样，载波干扰必然产生。有什么方法可以解决吗？还是通过滤波器和子载波间的保护间隔来实现。这样看，是不是和FBMC/UFMC又有类似的地方？

3.5 关于调制波形的小结：

上面给大家介绍的这些新波形方案一个共同点是通过滤波器的方式来降低带外泄露以及减小对于时频同步的要求。FBMC原理方案中所使用的滤波器组是以每个子载波为粒度的。通过优化的原型滤波器设计，FBMC可以极大的抑制信号的旁瓣，而且与UFMC类似FBMC也通过去掉CP的方式来降低开销。而UFMC和F-OFDM方案中的滤波器组都是以一个子带为粒度的。两者的主要差别是：一方面，UFMC使用的滤波器阶数较短，相比而言F-OFDM需要使用较长的滤波器阶数；另一方面，UFMC不需要使用CP，而考虑到后向兼容的问题F-OFDM仍然需要CP，其信号处理流程与传统的OFDM基本相同。对于GFDM方案而言，根据一个GFDM块中不同的子载波以及子符号数配置，该方案可以把OFDM以及单载波的频域均衡作为它的一个特例。除此之外，与OFDM中每个符号添加CP不同，GFDM通过在一个GFDM块前统一添加一个CP的方式来降低开销。同时，在FBMC以及GFDM中通常使用OQAM调制，来减小邻道干扰以及降低实现复杂度。

其实，除了上面介绍的几种候选波形外，学术界也曾经考虑过单载波方案（NCP-SC）和双正交频分复用（BFDM）等几种波形，都因为一些客观的原因被放弃了，现在介绍的都是经过第一轮PK后留下来的晋级者。

为了兼容多种多载波调制方案，业内提出了一种 “新的”发射机结构。该结构以最小化硬件功能单元为设计目标，在复杂度较低的前提下，通过不同的信号处理单元组合以及系统参数的配置，该结构可以灵活实现诸如：OFDM，F-OFDM，UFMC，GFDM和FBMC多种不同的波形方案。但从实现框图上看，和原有的LTE系统相比，除了引入新的OQAM调制方式，基本还是基于原有的OFDM，加了各种所谓的滤波器，然后把所有参数接口开放罢了。仅此而已…

看到这，我不知道所有的从业者有什么样的感触。在我看来，所有的这些5G候选新波形，不过就是基于OFDM炒炒冷饭而已。就像在上一篇Massive MIMO里介绍的，如果没有新的革命性的理论创新，通信的未来发展前景堪忧。至于谁能笑到最后，被写入标准成为赢家，我想技术本身并不能决定这一切。决定性的，还是市场的力量；再直白一点，就是资本的力量。

这正是：载波调制无新意，滤波方式百家鸣；多址接入群雄起，信道编码起纷争。

下一期，咱就聊聊低潮期中5G的新接入和编码技术。

下会见～

参考文献：

1.FBMC physical layer : aprimer， PHYDYAS；

2.Designing A Possible 5G PHYWith GFDM， Gerhard P.Fettweis；

3.GFDM - GeneralizedFrequency Division Multiplexing， Gerhard Fettweis；

4.On Tail BitingConvolutional Codes, H. Ma and J. Wolf；

5.IMT-2020 5G white paper；

6.Elements of InformationTheory, Thomas M. Cover and Joy A. Thomas；

7.Fundamentals of WirelessCommunication, David Tse and Pramod Viswanath；

8.4G Americas 3GPP Release 12Executive Summary；

9.5G：New Air Interface and Radio Access Virtualization， Huawei White Paper

10.Google& Baidu & 知乎…

11.TrainingMaterial from R&S

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