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波形设计 |带你读《5G空口特性与关键技术》之四

简介: 峰均功率比(PAPR,Peak to Average Power Ratio)是发射机峰值功率和均值功率的比,它由所采用的信号波形决定,对于发射机的能耗影响很大,是发射波形的一项重要指标。峰均功率比越低,对于提高发射机的效率越有好处。这一指标对于上行终端侧具有尤其重要的意义。
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第 2 章 5G 新空口关键技术

2.1 5G 波形设计

2.1.1 5G 主要候选波形

2.1.2 波形实现方式总结

图 2-8 所示是上一节所介绍的 5G 新多载波波形提案实现方式的综合比较。详细内容可以参见 Qualcomm 公司的白皮书。
image.png
图中,串并转换模块与 IFFT 模块之间的尾部添零(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,“√”表示不同波形与相应的功能之间的对应关系。

2.1.3.1 频域约束性

图 2-9 所示为根据计算机仿真获得的几种 5G 波形提案的发射频谱特性对比。
image.png
由图 2-9 中可以看出,FBMC/UFMC/f-OFDM/W-OFDM 的带外泄漏比CP-OFDM 有非常显著的降低。f-OFDM、UF-OFDM 和 W-OFDM 的带外泄漏比降低得不如 FBMC/OQAM 那么明显。UF-OFDM 和 f-OFDM 要优于 W-OFDM。带外泄漏比低会比较有利于异步多址接入和零碎化的频谱等场景。

2.1.3.2 峰均功率比

峰均功率比(PAPR,Peak to Average Power Ratio)是发射机峰值功率和均值功率的比,它由所采用的信号波形决定,对于发射机的能耗影响很大,是发射波形的一项重要指标。峰均功率比越低,对于提高发射机的效率越有好处。这一指标对于上行终端侧具有尤其重要的意义。
图 2-10 所示为几种 5G 新波形提案的发射机峰均功率比的计算机仿真结果。
image.png
由仿真结果可以看出,不采用 DFT 预编码时所有波形都具有大致相同的PAPR 值。引入 DFT 扩展后,各波形的 PAPR 都明显下降。UF-OFDM/f-OFDM以及 W-OFDM 对 PAPR 的降低程度相差不多。FBMC/OQAM 的 PAPR 降低程度则比较不明显。
根据 3GPP 的分析,R15 空口参数的实际 PAPR 结果如下:
-下行 OFDM,PAPR=8.4dB(99.9%);
-上行 OFDM,PAPR=8.4dB(99.9%),DFT-S-OFDM 的 PAPR 值如表 2-2所示。
image.png
可以看出,采用 DFT 扩展可以在一定程度上降低发射波形的 PAPR 值,从而提高 PA 的使用效率。

2.1.3.3 误帧率

图 2-11 所示为几种波形在一些典型的应用场景(2.6GHz 的载波频率,3km/h的步行运动速度和 620km/h 的高速运动速度)下的误帧率(FER,Frame ErrorRate)的计算机仿真结果。
image.png
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从仿真结果可以看出,在所设定的低速场景下,W-OFDM、UF-OFDM 和FBMC/ OQAM 的误帧率和传统的 CP-OFDM 非常接近,f-OFDM 则相对略差一些。在高速移动的场景,FBMC/OQAM 的误帧率指标最好。

2.1.4 主要波形提案综合比较总结

mmMAGIC project 对一些主要波形提案进行了比较研究,考虑的主要方面包括频谱效率、发射波形峰均比值、对信道频域选择性和时域选择性的顽健性、和 MIMO 的适配性、时域约束性、频域约束性、实现复杂度等指标。5G 若干主要候选波形的综合比较如表 2-3 所示。
image.png
总的来说,针对 FBMC、UF-OFDM、GFDM 等非正交波形,它们的滤波是在子载波的基础上进行的,所以其频率约束性比较好。FBMC 的旁瓣水平较低,因此对同步没有非常严格的要求,但是它的滤波器的冲激响应长度很长,所以 FBMC 不适用于短包类和对时延要求高的业务类型。UFMC 针对一组连续的子载波进行滤波处理,因此其滤波器长度相对较短,可以支持短包类业务。但 UFMC 没有循环前缀,因此对需要松散的时间同步场景不太适合。GFDM 可以使用循环前缀,具有灵活的帧结构可以适配不同的业务类型。
这类波形的缺点主要在于载波不再正交,所以会带来载波间干扰,这在很大程度上会导致性能的降低,这个问题在高阶 QAM 的情况下尤其明显。另一个主要问题在于它们难以与 MIMO 进行适配。除此之外,由于必须处理载波间干扰,接收端的处理也会变得比较复杂。它们的实现复杂度都高于 CP-OFDM。单从频率约束性来看,这类波形确实有一定优势,但是实际上获得的收益也并不是那么大。
考虑到这些因素,3GPP 最终没有在 R15 中针对 eMBB 场景选用此类非正交波形。在下一节中,我们简单回顾一下 3GPP 在 R15 中对波形规范的讨论过程和结果。

2.1.5 3GPP 对波形规范的讨论过程

3GPP 在 2016 年 3 月 7 日至 10 日在瑞典哥德堡召开了 TSG RAN #71 会议,会议正式启动了 5G NR 的研究项,以研究使用 100GHz 以下频谱满足 eMBB、mMTC 和 URLLC 3 种业务场景的移动通信的需求。3GPP RAN1 后续又召开了多次会议,讨论无线接入部分(Radio Access)的各种议题。
从 RAN1#84 次会议起,针对 5G NR 新波形的讨论正式展开,讨论主要集中在 CP-OFDM、FBMC、UFMC、GFDM、f-OFDM 等波形提案上,该次会议确定了对波形的评估方法。
在 RAN1#84bis 会议上(韩国釜山,2016 年 4 月 11—15 日),与会者经过讨论达成了如下的一致意见:
(1)新波形将基于 OFDM;
(2)新波形必须支持多种灵活的参数集;
(3)同时要考虑基于 OFDM 之上的各种变化,如 DFT-S-OFDM 以及各种加窗/滤波的不同实现方式;
(4)基于非 OFDM 的波形可应用于某些比较特殊的场景需求(如 mMTC)。
在标准讨论过程中,各公司进行了大量仿真和分析工作,并对不同候选波形的各项性能指标和实现的复杂性进行了全面比较。
在这之后,3GPP 经过反复讨论和衡量,最终在 RAN1#86 会议(瑞典哥德堡,2016 年 8 月 22—26 日)上就 5G NR 波形基本达成一致意见(可参见R1-167963:Way Forward on Waveform)。
(1)5G NR 在小于 40GHz 的频谱范围,针对 eMBB 和 URLLC 业务,上下行都支持 CP-OFDM(但是其频谱使用效率将高于 LTE)。此外,可以采用其他方法降低 PAPR/CM(如 DFT-S-OFDM)。
(2)对于 mMTC 等其他业务,可以考虑采用不同的波形设计。在 RAN1#86b 会议(葡萄牙里斯本,2016 年 10 月 10—14 日)上,参会者根据以往候选波形和仿真结果讨论,进一步达成了关于 40GHz 以下频段 eMBB业务波形的决议(可参见高通、Vivo、中兴、Oppo、小米、苹果等多家公司的提案 R1-1610485:WF on Waveform for NR Uplink)。
提案 R1-1610485:WF on Waveform for NR Uplink)。
(1)5G NR 在小于 40GHz 的频谱范围,针对 eMBB 业务,下行支持 CP-OFDM,上行支持 CP-OFDM 和 DFT-S-OFDM 波形。CP-OFDM 波形可用于单流和多流数据传输,DFT-S-OFDM 仅限于单数据流传输 (主要针对链路预算受限的场景)。
(2)网络侧可决定采用哪种波形并通知终端。也就是说,UE 在上行必须同时支持 OFDM 和 DFT-S-OFDM,而 gNB 则可以决定上行是采用 OFDM 还是DFT-S-OFDM,此点和 LTE 中上行仅支持 DFT-S-OFDM 不同。
至此,3GPP RAN1 对于 5G NR 在 40GHz 以下 eMBB 场景采用的波形定义工作基本完成。针对 40GHz 以上频谱和非 eMBB 场景的空口波形(如 mMTC、URLLC 等),3GPP 后续仍将进一步研究讨论确定。

2.1.6 R15 中的 5G 波形规范

5G NR 在 eMBB 场景下的波形实现基本原理如图 2-12 所示。其中,“预编image.png
根据 3GPP 的规定,5G NR 中的 OFDM 波形具有灵活可扩展的特点,在 R15的定义中,其子载波间隔可表达为15 2n × kHz(其中,n=0,1,2,3,4),从15kHz 到 240kHz 不等(适合不同的频率范围)。其基准参数集采用了和 LTE一样的 15kHz 子载波间隔、符号以及循环前缀的长度。对于 5G NR 所有不同的参数集,每个时隙都采用相同的 OFDM 符号数,这样大大简化了调度等其他方面的设计。码”为可选,仅适用于上行。
NR 支持的最大带宽则达到 400MHz,远大于 LTE 中 20MHz 的最大带宽。NR 在一个传输带宽内所支持的最大子载波数为 3300 个,如果需要支持更多子载波则需要采用载波聚合(CA,CarrierAggregation)技术。关于 NR 中所采用的空口参数集,可以参考本章 2.4.1 节的内容。
NR 中通过额外的滤波和加窗等数字信号处理可以使其频谱效率达到 94%~99%,高于 LTE(90%左右)。
可以看出,5G NR 中没有像 1G 向 2G、2G 向 3G 以及 3G 向 4G 演进时那样出现一个革命性的新波形,而是基本沿用并优化了 4G 时代的 OFDM波形。因此,5G 的特色更多体现在它是无线通信生态系统的融合,而非信号波形设计本身的革命性突破。这其中的部分原因也是通信基础理论发展到现在,许多物理层的知识已被挖掘,要取得革命性的进展越来越困难,通信系统的底层波形设计尤其如此。因此,在 5G 中更多的是通过采用 Massive MIMO、毫米波、灵活的参数集、高密度组网等技术大大提高总的通信容量和质量。

| 2.2 5G 多址接入 |

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