5G新波形RAN1#84b会议提案摘译学习(续)

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R1-163110:Docomo对一些波形的链路级性能评估

 

R1-163110, Initial link levelevaluation of waveforms,NTT DOCOMO

 

编者注:本提案是在波形讨论工作刚开始进行时的RAN1 #84b会议上提交的,虽然较早,但是应该不影响技术理解和分析。其结论和内容对我们理解各种波形的特点和差异和有帮助,特此翻译整理出来,供大家参考。另外,其中有些许内容没有翻译,如果有理解方面的疑问,请参考原文分析研究。也欢迎大家指正。目录如下:

 

1. 评估的波形    
   1.1  CP-OFDM
   1.2  W-OFDM    
   1.3  F-OFDM    
   1.4  FBMC/OQAM    
2. 仿真条件    
3. 初步结果评估    
   3.1  信号界定(confinement)    
   3.2  PAPR    
   3.3  SISO    
   3.4  MIMO    
   3.5  同步性    
4. 总体比较    
5. 基本结论

 

1.   评估的波形

 

以CP-OFDM为基准,分析对比W-OFDM、F-OFDM的2种变形,以及FBMC/OQAM。

1.1  CP-OFDM

OFDM适用于多种无线标准,如WiFi、WiMax和LTE。另外,采用CP-OFDM可以提供更多好处,如采用FFT来有效抵抗多径衰落,且与MIMO有较好的适配性。下图为CP-OFDM发射机框图。

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CP-OFDM的缺点在于带外泄漏比较高,因此需要较大的保护带宽,难以使用窄带频谱(white spaces)。使用CP还降低了总体频谱效率,对于异步和高速移动性用户,ICI的累加可能是系统总体性能降低。另外,如果不插入大的保护带宽,则CP-OFDM的参数集(numerology)难以在相邻频带内灵活改变。

1.2  W-OFDM

LTE系统中,通常对CP-OFDM的时域信号进行加窗(windowing),以满足频谱发射模板(mask)的要求。这种系统我们称之为M-OFDM。W-OFDM天然具有CP-OFDM的特点,但是采用加窗技术后,带外泄漏得到有效抑制。从而更适用于异步多址接入。因此,在高速移动场景下,除了CP-OFDM的缺陷之外,不同加窗长度和新到传播延迟下,由于ICI的累加,还可能会引入一些系统间干扰(ISI)。W-OFDM发射机框图示意如下。

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1.3  F-OFDM

F-OFDM可以看作是不采用滤波的CP-OFDM和采用子载波滤波的FBMC/OQAM之间的一个折中。F-OFDM中,对一组子载波即子带进行滤波。整个系统带宽被分成几个子带,每个子带分别过滤,过滤后的子带根据时频资源的分配来进行传送。

 

滤波器的选择很灵活,其目标在于降低带外(OOB)发射和带内失真。另外,采用不同滤波器时,F-OFDM的实际性能严重取决于所考虑的场景和实际的滤波器设计。

 

相比CP-OFDM,更低的带外杂散使得F-OFDM更适于异步多址接入。它具有CP-OFDM的一些优点,如通过对附加滤波的适当选择,使带内失真的数量(amount)得以限制(limited),从而提高频谱效率。另外,不同子带间也支持灵活的参数集。

 

然而,类似于CP-OFDM,在高速移动情况下,ICI的累加会降低系统整体性能

 

考虑2种F-OFDM。第一种是UF-OFDM,相对于CP-OFDM来讲,它不使用CP,但是在时域符号间采用零进行填充。选择的滤波器具有短的时间相应,以便滤波器的尾部能够完全覆盖在零填充里面,从而使得符号在时域内不会重叠,频率乒坛衰落信道上不会产生ISI。发射机框图如下。

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F-OFDM的另一种变形是f-OFDM,它保持CP-OFDM中的CP,但是所采用的滤波器的响应时间比UF-OFDM要长,但比FBMC/OQAM要短。由于滤波器尾部超过CP长度,所以即使频率平坦型衰落信道也存在一定数量的ISI,但是通过对滤波器的合理选择,可使ISI的影响保持在相当小的范围内。f-OFDM的发射机框图示意如下。

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接受侧,接收信号首先通过与发射端相匹配的滤波器,然后再通过惯用的CP-OFDM接收机1.4  FBMC/OQAM

 

FBMC/OQAM是一种多载波调制技术,收/发端都对每个子载波进行滤波。所选择的滤波器时域较长,以使频域获得更好的localization。其目标场景是无需精准同步的异步传输、零碎频谱、感知无线电、高速移动用户(多普勒频移大)等,在同一带宽内可以有效进行基本参数的自适应,如子载波间隔或者符号长度。另外,由于不采用CP,所以可以获得更高的频谱效率。

 

然而,要获得FBMC/OQAM的这些特性,还需要付出一些代价,这就是正交性条件有所放松,需要从使用QAM的复数域(complexfield)放松到使用OQAM的实数域(real field)。其影响就是,CP-OFDM的一些正交设计如发射分集(如Alamouti)和离散的基于导频的信道估算不能直接用于FBMC/OQAM。其背后的主要原因是存在内在干扰(intrinsic interference)。此外,系统复杂性也是一个严重的问题。FBMA/OQAM发射机的复杂性与采用特定实现技术的CP-OFDM具有可比性,然而,接收机的复杂性增加仍然是个缺点。下图为基于多相实现的FBMC/OQAM发射机框图。

 

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2.   仿真条件

 

采用3GPP TS 36.213 V12.5.0MCS和码率等信息。其它相关参数如下:

 

 

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3.   初步结果评估

基于提案中给定的仿真条件,根据仿真结果,对比分析不同波形的性能和特性。如频谱特性、时域特性、峰均比(PAPR)等。同时,还比较了不同场景下的特性,如宽带通信、高速移动性以及异步接入等。

3.1  信号界定(confinement)

 

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将不同波形的功率谱密度与CP-OFDM做对比。FBMC/OQAM的带外泄漏比CP-OFDM有显著降低。f-OFDM和W-OFDM的降低不如FBMC/OQAM明显,但F-OFDM要优于W-OFDM,它们严重取决于所使用的滤波器和窗口。带外泄漏低更适合于异步多址接入和高速移动性场景。

 

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3个符号的短突发的时域信号幅度如上图所示。可见,W-OFDM和F-OFDM比FBMC/OQAM更适合于短突发传送和/或相当低时延的场景,这是因为FBMC/OQAM通常使用长的滤波器,从而降低了整体效率,增加了上行和极短突发情况下的时延。

 

3.2  PAPR

 

多载波传输的缺点是PAPR高,从而给发射机设计带来挑战,尤其对UE挑战更大(上行)。在LTE和LTE-A中,上行对OFDM采用DFT扩展来降低PAPR。DFT-s-OFDM (或SC-FDMA)类似单载波,它继承了OFDM的好处,但是PAPR较低。

 

采用DFT与否进行对比,假定DFT扩展长度为160且没有导频符号。

 

可以观察到,不采用DFT时所有波形都具有大致相同的PAPR性能,但FBMC/OQAM的PAPR降低更小。这是FBMC/OQAM的缺点。其他资料表明,不采用DFT的FBMC/OQAM的PRAP降低优于DFT-s-OFDM/OQAM,但还没有好过基于OFDM的波形。

 

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引入DFT扩展后, F-OFDM和W-OFDM相比CP-OFDM而言,对PAPR的影响一致。FBMC/OQAM的PAPR降低相对其他波形来说则更小。

 

3.3  SISO

 

采用线性迫零接收机和2个不同的衰落信道模型:EPA和EVA,还考虑不同的最大多普勒频移(用户移动性)和MCS值。

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在一定的信道条件下,对比不同MCS下的SISO性能可知,在低码率情况下,所有波形在相同的MCS下具有相似的性能。但f-OFDM在高码率下性能有些微降低。由于采用了滤波,所过滤的子带的边缘子载波上的功率较低,导致性能下降。这种性能下降只在码率高的情况下才能观察到。

 

在子带的边缘引入toneoffset子载波(空子载波),可以降低性能损失。在滤波器通带带宽内引入Tone offset使得滤波器带宽更大,因此,所使用的数据子载波上具有更平坦的功率。

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从上面一些图可以观察到,合理的用户移动条件下,所有波形都具有相同的性能。然而,在极度高的(extreme)用户移动性下,FBMC/OQAM比基于OFDM的波形的增益要大,因为它对大的多普勒频移具有更高的强壮性,因此更适于高移动性场景。

 

3.4 MIMO

 

2x2 MIMO开环空间复用条件下,采用线性MMSE接收机,在特定的MCS下,所有波形的性能差不多,没有哪个表现得更好。但是像上面提到的,FBMC/OQAM不能使用一些非线性算法如Alamouti或者球形(sphere)检测等。

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3.5  同步性

 

关于同步性,在异步接入传输时,测试用户和干扰用户的发射功率相同、干扰用户功率高20dB和40dB情况时,对比其BLER性能可知,W-OFDM、UF-OFDM、f-OFDM和FBMC/OAM的性能都比CP-OFDM要好,这是因为它们具有较小的带外泄漏。但是,为了获得与同步CP-OFDM相同的性能,FBMC/OQAM和f-OFDM比其他带宽需要更小的保护带子载波数。

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4.   总体比较

 

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5.   基本结论

 

根据以上对比分析,建议将CP-OFDM作为基础波形。考虑W-OFDM和F-OFDM作为新波形的候选项。

 

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