作者 徐蘭天 中國電子科技集團公司第四十一研究所(安徽 蚌埠 233010)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/370665.htm*基金項目：中國電科技術創新基金項目《微波毫米波大帶寬大規模MIMO測試技術研究》
徐蘭天(1985-)，男，工程師，研究方向：基帶處理與測試技術。
摘要：針對5G系統大帶寬下F-OFDM調製急劇增加運算量，提出了一種適用於FPGA實現的F-OFDM調製方法，使運算量只有原來的子帶寬數分之一，滿足5G系統對F-OFDM信號產生的低延時要求，可用於5G系統物理層信號發生單元，以及5G測試的信號源中。
引言
5G(The 5th Generation Mobile Communication System，5G)作為下一代移動通信系統，ITU給出了明確的時間規劃，預計2020年推出5G通信標準[1]。現今，5G關鍵技術研究已經正如火如荼開展。波形作為無線通信物理層關鍵的技術之一，業界尚未對5G系統波形給出明確定義。F-OFDM以其靈活參數配置，成為5G系統候選波形之一。F-OFDM是由華為提出的一種可變子帶帶寬的自適應空口波形調製技術，其基本思想是將OFDM 載波帶寬劃分成多個不同參數的子帶，通過濾波實現各子帶間參數配置的解耦。F-OFDM支持每個子帶可配置不同的傳輸時間間隔、CP長度和子載波間隔等參數，因而實現靈活自適應的空口，增強系統對各種業務的支持能力，提高系統的靈活性和可擴展性[2]。
F-OFDM調製技術研究國內外已有許多參考文獻[3-4]，主要針對F-OFDM性能，包括與傳統OFDM性能比較，與其他候選波形(W-OFDM、FBMC、FB-OFDM和UFMC)性能比較。對F-OFDM調製具體實現研究多是基於傳統OFDM的基礎進行的，調製帶寬設置為20MHz。5G系統的調製帶寬從幾十MHz跨越到500MHz、1GHz、2GHz，聚合帶寬達到10GHz，對F-OFDM調製實現提出了更高的要求。本文給出了一種適合FPGA實現的F-OFDM調製方法，可用於5G系統物理層信號發生單元，以及5G測試的信號源中。
1 F-OFDM調製原理
F-OFDM是基於OFDM的改進方案，能兼容LTE 4G系統、又能滿足未來5G發展的需求。圖1給出了5G系統F-OFDM調製流程，包括子帶寬劃分、子載波映射、IFFT、增加CP和濾波器等單元。與OFDM調製相比，F-OFDM把整個帶寬劃分若干獨立的子帶寬，每個子帶寬參數可以根據信道特性設置，並進行OFDM調製，最後增加一級濾波器處理。因此F-OFDM除了具備傳統 OFDM 的優點外，在帶外信號頻譜洩漏和頻譜利用率上有很好的性能。
1)子載波映射單元把數據分別映射到各個子帶上，不同子帶之間需要預留保護子載波來隔離子帶間的幹擾;
2)IFFT單元對各個子帶分別進行IFFT變換。由於2個子帶的子載波間隔不同，為了達到相同的採樣率，需要使用不同的FFT size;
3)增加CP單元加循環前綴的操作與LTE中的方法相同;
4)濾波器單元完成各個子帶用本子帶的濾波器進行濾波，限制本子帶在頻域上的功率洩露。
2 F-OFDM調製實現
從F-OFDM調製原理可以看出，當整個帶寬增加時，IFFT的長度也線性增加，這為F-OFDM調製FPGA實現帶來了巨大挑戰。本文給出了適合FPGA實現的5G系統F-OFDM調製方法，通過子帶寬數據的零頻搬移，減小IFFT和濾波運算長度，降低F-OFDM調製的運算量，滿足5G系統對F-OFDM信號產生的低延時要求，該調製方法流程圖如圖2所示，包括子載波零頻映射單元、IFFT與CP單元、插零與濾波單元、頻譜搬移與拼接單元和子帶寬合併單元。
2.1 子載波零頻映
F-OFDM調製的各個子帶寬的原始數據進入子載波零頻映射單元，實現子載波映射的功能。子載波零頻映射通過直接映射完成頻譜的頻域搬移，並形成IFFT運算的數據格式，如圖3所示。
2.2 IFFT與CP
濾波器的脈衝響應和頻域響應如圖4所示。
2.4 頻譜搬移與拼接
頻譜搬移與拼接單元實現子載波映射還原以及子符號數據合併的功能。為了保證搬移後的數據與理論值的一致性，時域複數正弦信號ti的相位要與IFFT的數據對齊，即IFFT的第一個數據對應零相位，同時要保證相位的連續性。
其中，Fio為子帶寬的中心頻率。為了消除時域分段濾波帶來的影響，需對進行拼接處理。拼接處理流程是指相鄰兩個子符號的首尾lifilter-1數據進行疊加，其頻譜對比如圖5所示。
2.5 子帶寬合併
子帶寬合併單元通過信號合併完成F-OFDM調製信號輸出的功能。子帶寬合併直接把子帶寬時域數據進行疊加。
3 結論
本文目的在於克服5G系統大帶寬下F-OFDM調製急劇增加運算量，提出了一種適用於FPGA實現的F-OFDM調製方法，通過子載波零頻映射，降低IFFT和濾波運算長度，使運算量只有原來的1/N，其中N為系統劃分的子帶寬數目。該實現方法滿足5G系統對F-OFDM信號產生的低延時要求，可應用到5G系統信號發生器和基帶產生單元中，有效推動5G系統標準驗證以及硬體研發。
參考文獻：
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[2] W. H. Chin, F. Zhong,R. Haines.Emerging Technologies and Research Challenges for 5g Wireless etworks. IEEE Wireless Commun.4, 2014.
[3]吳華.濾波器組多載波系統快速實現及同步技術研究[D].重慶:重慶大學,2009.
[4]X ZHANG,M JIA,L CHEN,etal. Filtered-OFDM Enabler for Flexible Waveform in The 5th Generation Cellular Networks[C]. 2015 IEEE Global Communications Conference ( GLOBECOM). IEEE, 2015.
[5]華為技術有限公司.Filtered-OFDM 技術簡介-for Inno-vateAsia[R].5G算法大賽, 2015..
本文來源於《電子產品世界》2017年第11期第39頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。