发布时间 : 星期二 文章5G移动通信的新型多址复用技术更新完毕开始阅读5c747fc0a8114431b80dd856
目极大增长，在一些场景下单位面积内通过5G移动网络连接的器件数目达到100万/平米，相对4G增长100倍；
3）时延和可靠性要求：相对于4G缩短为1/5-1/10，达到人力反应的极限如5ms（触觉反应）甚至更低，并提供真正的永远在线体验。端到端可靠性提升到99.999%甚至100%；
4）能耗和成本要求：绿色低碳是未来技术发展的重要需求，通过端到端的节能设计，支持更高的能耗效率，使网络综合能效提升1000倍，并使综合成本持续下降，在维护方面，实现精确监控网络资源和有效感知业务特性，并降低多制式共存、网络升级以及新功能引入等带来的复杂度。
3滤波器组的基本原理
滤波器组的基本原理是：输入信号首先通过分析端的一组分析滤波器及其级联的抽取器（下采样）被分解为多个子带信号。各个子带信号根据应用场合不同进行相应的处理。在综合端通过一组插值器（上采样）及其级联的综合滤波器组，将子带信号恢复成为原始输入信号或稍有失真的原始信号。抽取器和插值器用于改变采样速率，去除冗余信息，提高信号处理的效率。多速率滤波器组重构信号的误差一般来自三个方面：幅度失真、相位失真和混叠失真。如果这三种失真可以被完全消除，那么输出信号就可以完全重构出输入信号，这样的滤波器称之为完全重构（PR）滤波器组。然而，在一些应用中，比如有损编码中，系统允许一定的误差存在。在这种情况下，滤波器组可以设计成具有近似完全重构（NPR）特性的系统。此时系统的输出信号是原始信号的一个近似信号。
3.1 FBMC的基本原理
滤波器组多载波（FBMC）是一种频分复用技术，它通过一组滤波器对信道频谱进行分割以实现信道的频率复用（FDM）。最初，多载波传输思想是通过一组模拟滤波器实现的。这组模拟滤波器将信道的频谱分割成多个子带，相邻子带间留有足够的保护间隔，以防产生子信道间的干扰（ICI）。但这种多载波方式造成了频谱资源的极大浪费，而且对模拟滤波器的高要求限制了该技术的广泛应用。随着数字信号处理（DSP）技术的发展,特别是器件运算能力的飞速提高，人们己经可以利用数字滤波器组来代替模拟滤波器组实现信道频谱的分割，且通过对滤波器组中各分支滤波器频率响应的灵活设计可以将各子带间的保护间隔去掉，从而明显地提高了信道频谱的利用率。
在多载波通信系统中，离散傅立叶变换（DFT）滤波器是最普遍的调制解调技术，实际应用中，一般用快速傅立叶变换（FFT）实现[8]。发送端，调制器使用反向快速傅立叶变换（IFFT）技术。将宽带信号调制到各个子载波；接收端，解调器使用FFT，从子载波信号中解调出原始信号。图3-1为一个典型的多载波通
信系统实现框图：
图3-1 基于FFT的多载波调制解调框图
图中d为发送的频域多载波数字信号；M表示IFFT的位数，即将一个宽带信号调制成M个子载波信号；m表示信号序列号；i表示子载波序列号，范围为0≤i≤M-1。P/S表示并串转换，即将并行的M个子载波信号转换成串行的时域信号X(n)。S/P表示串并转换，将串行信号转换为M个并行的子载波信号。将发送端信号的采样频率为单位1，那么子载波频率间隔1/M，多载波信号X的时域周期T为子载波频率间隔的倒数，即T=M。这也说明在理想条件下，多载波符号在时域上不会出现重叠。
3.2 FBMC在认知无线电中的潜在应用
FBMC作为CR的物理层传输技术虽然比OFDM更有优势，但其仍处于研究的初级阶段。前面的章节已经提到过，OFDM的带外泄露比FBMC要大很多，在CR中，由于频谱资源的稀缺性，OFDM大的带外干扰这一缺点就变得非常难以接受。虽然OFDM可以使用加入保护频带和加窗方法来降低带外干扰的影响，但这些方法都是以降低频谱利用率为代价的。FBMC以其相对非常小的带外干扰引起了人们的关注。在Qiwei Zhang，Kokkeler等人设计的一种过采样的基于滤波器组的多载波系统中（OSFB），可以发现，FBMC的带外干扰可以做到比OFDM小30dB左右[9]。在CR中，小的带外干扰意味着有更多的频谱可以使用。另外，FBMC也不需要在时域信号加入循环前缀，这进一步提高了FBMC系统的频谱利用率。
4.FBMC相比OFDM的优势
传统的正交频分复用（OFDM）的设计思想是将信道分成多个子信道，而所有子信道都是正交的，将数据符号调制到每个子信道上进行传输，这样数据传输变得更为高速和稳定。OFDM的技术本质就是FFT滤波器组，其原型滤波器最大的缺点是带外衰落缓慢，这在实际应用中会产生严重的频谱泄漏。而FBMC技术的原型滤波器带外快速衰落，非相邻滤波器之间不存在干扰。
在实际信道坏境中存在多径和多普勒频移现象，多径引起的码间干扰对无线通信有很大的影响。在传统的OFDM方法中，一般釆用在信号波形上插入循环前缀（CP）的方法来对抗多径[10]，保护间隔一般是符号周期的1/4或者1/8长度，如图4-1所示：
图4-1 OFDM符号添加循环前缀CP
可见，循环前缀是将OFDM符号的一部分复制到符号前端，只要CP部分长度人于最大多径时延，那么多径成分将在观测窗口内保持波形，也就是接收端能够获得完整无缺的OFDM符号波形。
循环前缀的引入使得OFDM符号波形周期增大，在一定程度上造成了资源的浪费，减少了符号率。不过在FBMC中，由于重叠因子的存在，时域符号间本身就存在互相干扰，因此不需要插入GI或CP，这样，也就一定程度上提高了系统的传输速率。
与OFDM相比，FBMC用一组优化的滤波器组代替OFDM中的矩形窗函数，从而达到降低带外衰减的目的[11]；其次，FBMC的原型滤波器可以被设计成带有很大的灵活性去匹配时间或者频率色散信道及具有较小的旁瓣去应对不同标准的多址接入或机会式频谱接入通信；进一步，由于原型滤波器的冲击响应和频率响应可以根据需要进行设计，各子载波之间不必是正交的，允许更小的频率保护带，因此不需要插入循环前缀[12]；最后，FBMC能实现个子载波带宽设置、各子载波之间的交叠程度的灵活控制，从而可灵活控制ICI，并且便于使用一些零散的频谱资源。
值得说明的是，因为子载波具有较窄的贷款，发射滤波器的冲击响应长度通常很长，于是FBMC帧一般比OFDM的帧长，但FBMC符号中没有循环前缀，从而可以弥补这种效率损失；此外，FBMC的计算复杂度高于OFDM，但由于信号处理和电子设备的显著进步，FBMC实际应用是可行的。
5.课题总结
随着当今信息社会的快速发展，无线通信系统的需求已经转变。人们已经不再满足于传统的以语音和低速率的数据业务为主的通信方式，而日益追求高速率的多媒体业务，高速的传输速度成为必需。因此，为了适应未来高速无线数据传输的需要，通信系统必须提高在衰落信道中的频谱利用率，使之能够在有限的频谱资源上支持高速率数据和多媒体业务传输。
正交频分复用技术OFDM，由于其良好的抗多径干扰能力、简单的信道均衡技术、通过循环前缀消除ISI、ICI等优点，非常适合作为CR物理层的传输技术。但是OFDM存在一些缺点，比如较高的带外泄露，需要使用循环前缀等，
这会降低频谱的利用率。基于此，滤波器组多载波技术FBMC，由于其较小的带外干扰，被认为是一种可以替代OFDM的技术。
本课题从5G移动通信出发，首先提出第5代移动通信的基本要求；其次，对FBMC原理及潜在应用进行分析；最后，将FBMC与OFDM技术进行比较，理论上验证了FBMC的可行性，以及更适用于第5代移动通信应用技术。
参考文献
[1]
3GPP TR 36.913 Requirements for further advancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)[S].2009. [2]
B. R. Saltzberg, Performance of an efficient parallel data transmission system,[J]. IEEE Trans. Commun. Technol., Dec.1967, vol. 15:805–811. [3]
R. W. Chang, Synthesis of band-limited orthogonal signals for multi-channel data transmission, [J]. Bell Syst. Tech. J., Dec. 1966, vol. 45:1775–1796 [4]
Weinstein,S.; Ebert, P., Data Transmission by Frequency-Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform, [J]. IEEE Transactions on Communication Technology, October 1971,vol.19, no.5:628-634, [5]
John A.C. Bingham, Multicarrier Modulation for Data Transmission: An idea whose time has come, [J]. IEEE Communications Magazine, June 1972, 22.12-11.17. [6]
A.Gilloire, “Experiments with subband acoustic echo cancellers for teleconferencing,” IEEE JCASSP,pp.2141-2144,1987. [7]
Frank Schaich,Vidar Ringset. “Compatibility of OFDM and FMBC systems and reconfiguration terminals,”ICT-211887,PHYDYAS deliverable D7.1,Jul.2009. [8]
T.Karp and N.J.Fliege, “Modified DFT filter banks with perfect reconstruction,” IEEE Trans,Circuits and System II,vol.46,pp.1004-1014,Nov.1999. [9]
Qiwei Zhang,Andre B.J Kokkeler,Gerard J.M. Smith, “An oversampled filter bank multicarrier system for cognitive radio”,2008 IEEE International Symposium on Persomal,Indoor and Mobile Radio Communications(PIMRC2008),2008.
[10] 刘辉，李庆《基于OFDM的无线宽带网络设计与优化》，西安交通大学出版社，ISBN：
9787560526751,2008年3月。
[11] SIOHAN P,SICLET C,LACAIlIE N. Analysis and design of OFDM/OQAM systems based
on filterbank theory[J]. IEEE Transactions Signal Process,2002,50(5):1170-1183.
[12] MEDJAHDI Y,TERRE M,Le RUYET D,et al. Performance Analysis in the Downlink of
Asynchronous OFDM/FBMC Base Multi-Cellular Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2011,10(8):2630-2639.