5G中F-OFDM調(diào)制的FPGA實(shí)現(xiàn)

作者 徐蘭天 中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所(安徽 蚌埠 233010)

*基金項(xiàng)目：中國電科技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目《微波毫米波大帶寬大規(guī)模MIMO測試技術(shù)研究》

徐蘭天(1985-)，男，工程師，研究方向：基帶處理與測試技術(shù)。

摘要：針對5G系統(tǒng)大帶寬下F-OFDM調(diào)制急劇增加運(yùn)算量，提出了一種適用于FPGA實(shí)現(xiàn)的F-OFDM調(diào)制方法，使運(yùn)算量只有原來的子帶寬數(shù)分之一，滿足5G系統(tǒng)對F-OFDM信號產(chǎn)生的低延時要求，可用于5G系統(tǒng)物理層信號發(fā)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(tǒng)，ITU給出了明確的時間規(guī)劃，預(yù)計(jì)2020年推出5G通信標(biāo)準(zhǔn)^[1]?，F(xiàn)今，5G關(guān)鍵技術(shù)研究已經(jīng)正如火如荼開展。波形作為無線通信物理層關(guān)鍵的技術(shù)之一，業(yè)界尚未對5G系統(tǒng)波形給出明確定義。F-OFDM以其靈活參數(shù)配置，成為5G系統(tǒng)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(yīng)空口波形調(diào)制技術(shù)，其基本思想是將OFDM 載波帶寬劃分成多個不同參數(shù)的子帶，通過濾波實(shí)現(xiàn)各子帶間參數(shù)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(shù)，因而實(shí)現(xiàn)靈活自適應(yīng)的空口，增強(qiáng)系統(tǒng)對各種業(yè)務(wù)的支持能力，提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性^[2]。

　　F-OFDM調(diào)制技術(shù)研究國內(nèi)外已有許多參考文獻(xiàn)^[3-4]，主要針對F-OFDM性能，包括與傳統(tǒng)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(diào)制具體實(shí)現(xiàn)研究多是基于傳統(tǒng)OFDM的基礎(chǔ)進(jìn)行的，調(diào)制帶寬設(shè)置為20MHz。5G系統(tǒng)的調(diào)制帶寬從幾十MHz跨越到500MHz、1GHz、2GHz，聚合帶寬達(dá)到10GHz，對F-OFDM調(diào)制實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求。本文給出了一種適合FPGA實(shí)現(xiàn)的F-OFDM調(diào)制方法，可用于5G系統(tǒng)物理層信號發(fā)生單元，以及5G測試的信號源中。

1 F-OFDM調(diào)制原理

　　F-OFDM是基于OFDM的改進(jìn)方案，能兼容LTE 4G系統(tǒng)、又能滿足未來5G發(fā)展的需求。圖1給出了5G系統(tǒng)F-OFDM調(diào)制流程，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(diào)制相比，F(xiàn)-OFDM把整個帶寬劃分若干獨(dú)立的子帶寬，每個子帶寬參數(shù)可以根據(jù)信道特性設(shè)置，并進(jìn)行OFDM調(diào)制，最后增加一級濾波器處理。因此F-OFDM除了具備傳統(tǒng) OFDM 的優(yōu)點(diǎn)外，在帶外信號頻譜泄漏和頻譜利用率上有很好的性能。

　　1)子載波映射單元把數(shù)據(jù)分別映射到各個子帶上，不同子帶之間需要預(yù)留保護(hù)子載波來隔離子帶間的干擾;

　　2)IFFT單元對各個子帶分別進(jìn)行IFFT變換。由于2個子帶的子載波間隔不同，為了達(dá)到相同的采樣率，需要使用不同的FFT size;

　　3)增加CP單元加循環(huán)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(jìn)行濾波，限制本子帶在頻域上的功率泄露。

2 F-OFDM調(diào)制實(shí)現(xiàn)

　　從F-OFDM調(diào)制原理可以看出，當(dāng)整個帶寬增加時，IFFT的長度也線性增加，這為F-OFDM調(diào)制FPGA實(shí)現(xiàn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。本文給出了適合FPGA實(shí)現(xiàn)的5G系統(tǒng)F-OFDM調(diào)制方法，通過子帶寬數(shù)據(jù)的零頻搬移，減小IFFT和濾波運(yùn)算長度，降低F-OFDM調(diào)制的運(yùn)算量，滿足5G系統(tǒng)對F-OFDM信號產(chǎn)生的低延時要求，該調(diào)制方法流程圖如圖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并單元。

2.1 子載波零頻映

　　F-OFDM調(diào)制的各個子帶寬的原始數(shù)據(jù)進(jìn)入子載波零頻映射單元，實(shí)現(xiàn)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，并形成IFFT運(yùn)算的數(shù)據(jù)格式，如圖3所示。

　　2.2 IFFT與CP

　　　濾波器的脈沖響應(yīng)和頻域響應(yīng)如圖4所示。

2.4 頻譜搬移與拼接

　　頻譜搬移與拼接單元實(shí)現(xiàn)子載波映射還原以及子符號數(shù)據(jù)合并的功能。為了保證搬移后的數(shù)據(jù)與理論值的一致性，時域復(fù)數(shù)正弦信號t_i的相位要與IFFT的數(shù)據(jù)對齊，即IFFT的第一個數(shù)據(jù)對應(yīng)零相位，同時要保證相位的連續(xù)性。

　　其中，Fⁱ_o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(jìn)行拼接處理。拼接處理流程是指相鄰兩個子符號的首尾l_i^filter-1數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，其頻譜對比如圖5所示。

2.5 子帶寬合并

　　子帶寬合并單元通過信號合并完成F-OFDM調(diào)制信號輸出的功能。子帶寬合并直接把子帶寬時域數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加。

3 結(jié)論

　　本文目的在于克服5G系統(tǒng)大帶寬下F-OFDM調(diào)制急劇增加運(yùn)算量，提出了一種適用于FPGA實(shí)現(xiàn)的F-OFDM調(diào)制方法，通過子載波零頻映射，降低IFFT和濾波運(yùn)算長度，使運(yùn)算量只有原來的1/N，其中N為系統(tǒng)劃分的子帶寬數(shù)目。該實(shí)現(xiàn)方法滿足5G系統(tǒng)對F-OFDM信號產(chǎn)生的低延時要求，可應(yīng)用到5G系統(tǒng)信號發(fā)生器和基帶產(chǎn)生單元中，有效推動5G系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證以及硬件研發(fā)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] IMT-2020(5G)推進(jìn)組.5G愿景與需求白皮書[R].2015.

[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(tǒng)快速實(shí)現(xiàn)及同步技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué),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(shù)有限公司.Filtered-OFDM 技術(shù)簡介-for Inno-vateAsia[R].5G算法大賽, 2015..

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第11期第39頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。