5G中F-OFDM調制的FPGA實(shí)現

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

*基金項目：中國電科技術(shù)創(chuàng )新基金項目《微波毫米波大帶寬大規模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系統大帶寬下F-OFDM調制急劇增加運算量，提出了一種適用于FPGA實(shí)現的F-OFDM調制方法，使運算量只有原來(lái)的子帶寬數分之一，滿(mǎn)足5G系統對F-OFDM信號產(chǎn)生的低延時(shí)要求，可用于5G系統物理層信號發(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(dòng)通信系統，ITU給出了明確的時(shí)間規劃，預計2020年推出5G通信標準^[1]?，F今，5G關(guān)鍵技術(shù)研究已經(jīng)正如火如荼開(kāi)展。波形作為無(wú)線(xiàn)通信物理層關(guān)鍵的技術(shù)之一，業(yè)界尚未對5G系統波形給出明確定義。F-OFDM以其靈活參數配置，成為5G系統候選波形之一。F-OFDM是由華為提出的一種可變子帶帶寬的自適應空口波形調制技術(shù)，其基本思想是將OFDM 載波帶寬劃分成多個(gè)不同參數的子帶，通過(guò)濾波實(shí)現各子帶間參數配置的解耦。F-OFDM支持每個(gè)子帶可配置不同的傳輸時(shí)間間隔、CP長(cháng)度和子載波間隔等參數，因而實(shí)現靈活自適應的空口，增強系統對各種業(yè)務(wù)的支持能力，提高系統的靈活性和可擴展性^[2]。

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

1 F-OFDM調制原理

　　F-OFDM是基于OFDM的改進(jìn)方案，能兼容LTE 4G系統、又能滿(mǎn)足未來(lái)5G發(fā)展的需求。圖1給出了5G系統F-OFDM調制流程，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調制相比，F-OFDM把整個(gè)帶寬劃分若干獨立的子帶寬，每個(gè)子帶寬參數可以根據信道特性設置，并進(jìn)行OFDM調制，最后增加一級濾波器處理。因此F-OFDM除了具備傳統 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據分別映射到各個(gè)子帶上，不同子帶之間需要預留保護子載波來(lái)隔離子帶間的干擾;

　　2)IFFT單元對各個(gè)子帶分別進(jìn)行IFFT變換。由于2個(gè)子帶的子載波間隔不同，為了達到相同的采樣率，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(gè)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調制實(shí)現

　　從F-OFDM調制原理可以看出，當整個(gè)帶寬增加時(shí)，IFFT的長(cháng)度也線(xiàn)性增加，這為F-OFDM調制FPGA實(shí)現帶來(lái)了巨大挑戰。本文給出了適合FPGA實(shí)現的5G系統F-OFDM調制方法，通過(guò)子帶寬數據的零頻搬移，減小IFFT和濾波運算長(cháng)度，降低F-OFDM調制的運算量，滿(mǎn)足5G系統對F-OFDM信號產(chǎn)生的低延時(shí)要求，該調制方法流程圖如圖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調制的各個(gè)子帶寬的原始數據進(jìn)入子載波零頻映射單元，實(shí)現子載波映射的功能。子載波零頻映射通過(guò)直接映射完成頻譜的頻域搬移，并形成IFFT運算的數據格式，如圖3所示。

　　2.2 IFFT與CP

　　　濾波器的脈沖響應和頻域響應如圖4所示。

2.4 頻譜搬移與拼接

　　頻譜搬移與拼接單元實(shí)現子載波映射還原以及子符號數據合并的功能。為了保證搬移后的數據與理論值的一致性，時(shí)域復數正弦信號t_i的相位要與IFFT的數據對齊，即IFFT的第一個(gè)數據對應零相位，同時(shí)要保證相位的連續性。

　　其中，Fⁱ_o為子帶寬的中心頻率。為了消除時(shí)域分段濾波帶來(lái)的影響，需對進(jìn)行拼接處理。拼接處理流程是指相鄰兩個(gè)子符號的首尾l_i^filter-1數據進(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(guò)信號合并完成F-OFDM調制信號輸出的功能。子帶寬合并直接把子帶寬時(shí)域數據進(jìn)行疊加。

3 結論

　　本文目的在于克服5G系統大帶寬下F-OFDM調制急劇增加運算量，提出了一種適用于FPGA實(shí)現的F-OFDM調制方法，通過(guò)子載波零頻映射，降低IFFT和濾波運算長(cháng)度，使運算量只有原來(lái)的1/N，其中N為系統劃分的子帶寬數目。該實(shí)現方法滿(mǎn)足5G系統對F-OFDM信號產(chǎn)生的低延時(shí)要求，可應用到5G系統信號發(fā)生器和基帶產(chǎn)生單元中，有效推動(dòng)5G系統標準驗證以及硬件研發(fā)。

　　參考文獻：

　　[1] IMT-2020(5G)推進(jìn)組.5G愿景與需求白皮書(shū)[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快速實(shí)現及同步技術(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(jiǎn)介-for Inno-vateAsia[R].5G算法大賽, 2015..

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