5G波形对比分析 (高通2015/11文档，与R15结论一致)

2018-4-16

3GPP所采用的波形 (参见TR38.802 V14.0.0 (2017-03)：

    -  下行：CP-OFDM。

    -  上行：CP-OFDM 和DFT-S-OFDM。

高通发布的“5G NR设计”文档中，提到R15规范与其2015年发布的白皮书是一致的。

此图与2017年12月发布的“让5G NR成为商用现实”中图相同，本公众号曾经翻译过此文档，中英文信息如下：

2015年11月发布的”5G波形和多址接入技术”白皮书中，对于波形技术的分析比较全面，虽然不同波形的工作原理讲述不多，但是各种波形的优劣对比比较完整。特此将其中部分内容翻译整理出来，供大家学习参考。

需要说明的是，本文涉及大多数5G候选波形技术，但是对于f-ofdm文中没有涉及，所以不是很完整，但仍然是一个不错的参考和学习材料。

1.  5G新波形和多址接入技术的基本要求：

5G新波形和多址接入技术的基本要求为：

-  支持不同的用户场景。

• eMBB为高速率和高的频谱效率类业务

• mMTC为低功率小包突发业务；

• URLLC为低时延高可靠类业务。

- 需要针对不同场景采用灵活的子载波等空口参数集(Numerology)。

-  使信令和控制负荷最小化，以提升效率。

2. 5G新波形的设计原则：

3. OFDM波形分析

3.1   OFDM概览

-   IFFT：数据采用空间相近的窄带子载波来传送-IFFT操作保证了子载波间不会相互干扰。

-   CP：有助于保持证交性，克服多径衰落的影响。

-    加窗：加窗有助于降低带外发射。

3.2   OFDM可满足多种需求

OFDM家族更易于满足演进的需求，采用其他加窗和多址接入选项可使得OFDM是用于更多的用户场景。

-  更高的频谱效率：采用更大的带宽和更大的阵列来支持MIMO空间复用。

-  更低的带外发射：加窗有效地增强了频率localization。

-  异步复用：在相同架构下与其它波形/多址接入共存，以支持大范围下的IoT设备。

- 更低的复杂度：即使为了频率选择而采用大带宽的条件下，接收机复杂度仍较低。

-  更低的功耗：单载波OFDM波形满足功率效率的需求较高的的场景。

3.3   波形选项

3.3.1  单载波波形

单载波波形采用时域符号序列：

    -    PAPR较低，因此PA效率较高，电池寿命长。

    -    多径信道存在时，需要采用均衡起来获得较高的频谱效率。

波形举例：

    -    恒定包络波形，如：

• MSK   (IEEE802.15.4使用)

• GMSK  (GSM和蓝牙使用)

   -    SC-QAM：传统单载波正交幅度调制(QAM)，EV-DO和UMTS使用。

   -    SC-FDE：单载波频域均衡(SC-FDE)，IEEE802.11ad使用。

   -    SC-FDM：单载波频域均衡(SC-FDE)，也称做SC DFT-s-OFDM，LTE上行使用。

    -    Zero-tail SC-FDM

3.3.2  多载波波形

多载波波形采用频域符号序列：

    - 在给定带宽内支持多个正交子载波。

    - 通常易于与MIMO整合，从而提高频谱效率。

波形举例：

    - CP-OFDM：带有循环前缀的OFDM，LTE下行使用。

    - CP-OFDM+WOLA：采用的加权叠接相加(WOLA)的CP-OFDM，现有LTE已实现。

    - UFMC：通用滤波器多载波。

    - FBMC：滤波器组多载波。

    - GFDM：广义频分复用。

3.3.3  与OFDM相关的波形

注：WOLA： 加权叠接相加(Weighted Over Lap and Add)是LTE系统中常用的一种加窗技术。

图中，串并转换模块与IFFT模块之间的zero-tail pad和DFT预编码，IFFT之后的加窗以及带通滤波模块都是可选的，对勾表示不同波形与相应的功能之间的对应关系。

    -Zero-tail模块：只有Zero-tail SC-FDM才需要。

    -DFT预编码：Zero-tail SC-FDM和SC-FDM + WOLA二者需要。

    -IFFT模块：所有波形都需要。

    - CP或者零保护(zero-guard)：对于SC-FDM + WOLA和SC-FDM + WOLA来说，需要使用CP；对于UFMC，则需要使用ZG(zero-guard)。

    -带通滤波：只有UFMC才需要。

3.4   波形比较

3.4.1  单载波波形

3.4.2 基于OFDM的多载波波形

3.4.3  波形比较总结

- CP-OFDM+WOLA具有较高的频谱效率，实现复杂度也较低，适于能效需求较松(relaxed)的下行。

- 其他波形和多址接入选项可以采用相同的架构与CP-OFDM共存，便于支持其他场景。

• 上行采用SC-FDM结合正交多址可以提供更好的PA效率。

• 采用RSMA结合SC-FDE可以满足免调度异步接入的用户场景。

4. 5G波形建议

2016年发布的白皮书中总结如下：

https://www.qualcomm.com/media/documents/files/whitepaper-making-5g-nr-a-reality.pdf

参考资料：

• Designing 5G NR, April, 2018, Qualcomm

• Making 5G NR a reality, Dec. 2016, Qualcomm

• Making 5G NR a Commercial Reality, April 2018，Qualcomm

• 5G Waveform & Multiple Access Techniques, November 4, 2015，Qualcomm

• 5G波形设计，人民邮电出版社，2017年6月第一版 (注：所有作者都来自高通)