一種適合太赫茲通信的新波形方案：GFB-OFDM

辛 雨,華 健,胡留軍,段向陽,3

(1.移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室,廣東 深圳 518055;2.中興通訊股份有限公司,廣東 深圳 518057;3.北京郵電大學,北京 100876)

0 引言

太赫茲技術是一種新型頻譜技術[1-2],也稱為“改變未來世界的十大技術之一”,它可以提供更大的傳輸帶寬,滿足更高速率的傳輸需求,逐漸成為6G通信技術研究的重要組成部分。

太赫茲通信通常是指利用頻率0.1～ 10 THz、波長3 mm～30 μm的電磁波進行通信的技術[3]。太赫茲通信主要有以下特點：① 超大帶寬,太赫茲通信的帶寬可以達到幾GHz至幾十GHz;② 超高速率,峰值速率可以達到1 Tbit/s[4];③ 穿透性強[5]、能量低、時間分辨率高和保密性好等。

太赫茲通信中,超大帶寬的實現具有一定的挑戰性。由于硬件成本和實現復雜度等因素的影響,目前3GPP協議中的正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM)使用支持的最大子載波間隔和最大快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)點數不足以滿足太赫茲場景超大帶寬的需求,即最大子載波間隔960 kHz和最大IFFT點數4 096只能實現4 GHz左右的帶寬。若想支持更大的帶寬,通常從兩個方向去調整：增大子載波間隔和增大IFFT點數。增大子載波間隔意味著符號長度變短,循環前綴(Cyclic Prefix ,CP)占比增大,頻譜效率和傳輸速率降低。增大IFFT點數對于現有硬件來說難以支持,復雜度也會提高,通常P點IFFT的復雜度為PlbP[6]。本文通過調整波形方案,實現超大帶寬的太赫茲通信。

現有5G標準中使用的波形主要為循環前綴正交頻分復用 (Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing,CP-OFDM)和基于離散傅里葉變換的擴頻正交頻分復用 (Discrete Fourier Transform Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing, DFT-s-OFDM)。近年來,關于波形的研究也有很多[7],基于OFDM提出的新波形方案主要有：① 濾波器組多載波(Filter Bank Multi Carrier,FBMC)[8]是一種實數調制,它將已調信號的實部和虛部分離,利用濾波器實現正交特性;② 廣義頻分復用 (Generalized Frequency Division Multiplexing,GFDM)[9-10]采用循環濾波器對每個OFDM子載波都進行濾波;③ 濾波器組正交頻分復用 (Filter Bank Orthogonal Frequency Division Multiplexing,FB-OFDM)[11-13]利用多相濾波器對每個子載波進行濾波,子載波間近似正交;④ 通用濾波多載波 (Universal Filtered Multi-Carrier,UFMC)[14],該波形對每組連續的子載波分別進行濾波操作;⑤ 濾波正交頻分復用 (Filter Orthogonal Frequency Division Multiplexing, F-OFDM)[15],該波形對整個子帶進行濾波操作;⑥ 正交時頻空調制 (Orthogonal Time Frequency Space, OTFS)[16]是一種基于在時延-多普勒域調制數據的波形。以上這些波形方案都不能很好地支持超大帶寬通信需求。

提出了一種新的波形技術：廣義濾波器組-正交頻分復用(Generalized Filter Bank Orthogonal Frequency Division Multiplexing, GFB-OFDM)技術,它是一種利用兩級IFFT和多相濾波器來實現多子帶聯合處理的波形方案,可以將大點數IFFT分解成兩級小點數的IFFT,實現更大的IFFT點數操作[17]。GFB-OFDM可以靈活地配置子帶數、子帶內子載波數、子載波間隔、濾波器參數等系統參數,滿足太赫茲通信系統的各種應用場景需求。

1 GFB-OFDM波形收發處理過程

1.1 GFB-OFDM發送端系統

GFB-OFDM發送端系統框架如圖1所示,首先獲取待發送的編碼調制后的數據,將其進行子帶劃分,分成多組數據,對每個子帶的數據進行一級IFFT變換,也稱為子載波級IFFT,子載波級IFFT點數與子帶內的子載波數有關;然后對每個子帶的 一級IFFT后的數據聯合進行二級IFFT變換處理,也稱為子帶級IFFT,子帶級IFFT點數與子帶個數有關,再通過加窗或其他操作進行多相濾波處理;最后經過數字模擬轉換器 (Digital-to-Analog Converter,DAC)模塊和射頻 (Radio Frequency,RF)模塊變換,即可發送數據。其中,子帶劃分處理以及子帶內進行一級IFFT變換稱為子載波級處理模塊, 二級IFFT變換和多相濾波模塊稱為子帶級處理模塊。

圖1 GFB-OFDM的發送端系統框圖Fig.1 GFB-OFDM transmitter system block diagram

經過上述兩級IFFT模塊的處理,可以將大點數的IFFT拆解成兩級小點數的IFFT,這樣可以解決硬件實現困難及處理復雜度的問題。

1.2 發送端數據處理過程

按照傳統的CP-OFDM傳輸8 192個子載波的頻域數據,通常至少需要做Nifft=16 384點的IFFT來實現。而對于GFB-OFDM而言,處理過程會簡單很多。

如圖2所示,有8 192個經過編碼調制后的待傳數據(8 192個子載波的頻域數據),將待傳數據分成N組(在本例中,N=8,即8個子帶),其中每個子帶含有M個數據,M=1 024,可以分別表示為：X[m,n],m=1,2,…,1 024,n=1,2,…,8。

圖2 GFB-OFDM的數據處理過程Fig.2 GFB-OFDM data processing process

對每個子帶的數據分別進行IFFT(一級IFFT)得到8個子帶的時域數據x[i,n],如式(1)所示,其中i=1,2,…,1 024,為IFFT后的時域數據序號。

(1)

令A為傅里葉逆變換矩陣,則式(1)寫成矩陣的形式：

(2)

對8個子帶的時域數據分別添加CP的操作,得到：

(3)

式中：Ncp為CP的長度,通常為符號長度的1/16,令Ncp=64。

每次按順序分別對8組時域數據x(Ncp+M)×N提取一個數據,共8個數據,進行N2點的兩倍過采樣IFFT(二級IFFT),N2為二級IFFT點數且有N2=Nifft/M=16,共進行Ncp+M次二級IFFT,得到Ncp+M組數據,每組包含16個數據,每組數據為一個子符號數據,寫成矩陣的形式有：

(4)

式中：B為傅里葉逆變換矩陣,YN2×(Ncp+M)為進行二級IFFT的數據矩陣。

(5)

式中：Ns為過采樣時的單側補零量。對每組數據進行重復L次的操作(在本例中,L=4),再與濾波器函數進行點乘操作(多相濾波操作),得到新的Ncp+M組數據,每組包含64個數據,寫成矩陣的形式：

(6)

z4N2×(Ncp+M)=y4N2×(Ncp+M)·[g(ts);g(ts);…;g(ts)],

(7)

式中：“·”為點乘操作,列向量g(ts)為多相濾波函數,是函數g(t)的離散形式,其中g(t)是雙根升余弦函數的時域形式。向量長度為4N2,重復Ncp+M次得到4N2×Ncp+M的濾波矩陣。

在時域上將Ncp+M組數據進行錯位疊加的操作,錯位長度為一個子符號長度,即16個數據長度,如圖2所示。最終在時域上發送一組疊加后的時域數據。

上述過程看出,GFB-OFDM可利用8個1 024點的一級IFFT和1 024個16點的二級IFFT完成 16 384點的IFFT,實現了用兩級小點數IFFT完成一級大點數IFFT。同理,也可以將8 192個子載波分成16個子帶,每個子帶包含512個子載波,GFB-OFDM利用16個512點的一級IFFT和512個32點的二級IFFT完成16 384點的IFFT,具體過程在此不一一敘述。

1.3 多相濾波的濾波函數

多相濾波操作中濾波函數的參數對整體GFB-OFDM的性能有一定的影響,所以需要選擇一個合適的濾波函數[18-19]。

雙根升余弦濾波函數是一種利用時域根升余弦函數對頻域根升余弦函數的時域形式數據進行加窗截取的濾波函數。

頻域根升余弦函數的時域形式可以表示為：

(8)

式中：α為根升余弦函數的滾降系數,T為1.2節中的子符號長度。

時域根升余弦函數表達式如式(9)所示,其中,β為根升余弦函數的滾降系數,Tb為時域升余弦函數在時域上的半幅寬度的1/2。因此該時域升余弦函數的時域長度為2Tb×(1+β)。

(9)

則雙根升余弦函數DRRC時域形式g(t)表示為：

g(t)=q(t)p(t)。

(10)

濾波函數的時域長度和每組子符號重復L次后的長度相等,即2Tb×(1+β)=LT。

1.4 接收端處理

接收端按照傳統CP-OFDM的接收方法,如圖3所示。接收端對接收到的多個OFDM符號的時域數據分別進行去CP操作,隨后進行FFT得到子載波數據,再進行頻域信道均衡、解調譯碼等操作,最終得到比特信息。經過上述過程可以無損地接收到發送端的比特信息。

圖3 接收端處理過程Fig.3 Processing at the receiving end

1.5 GFB-OFDM波形的優點

GFB-OFDM利用兩級IFFT可以將原有的大點數IFFT分解成兩級小點數的IFFT,以實現更大的IFFT點數操作。除了這個優點之外,GFB-OFDM波形方案還具備以下優點：

① 在子帶帶寬不變的情況下,通過調整子帶數量就可以實現不同信道帶寬的數據傳輸,這有利于在某些硬件不變的情況下靈活支持不同的信道帶寬需求。

② GFB-OFDM的多相濾波操作相當于是對每個子帶進行了濾波操作,可以減少子帶間的帶外泄露,因此可以支持不同子帶間靈活使用不同子載波間隔的場景需求,并且這些不同子載波間隔的不同子帶可以統一進行GFB-OFDM波形處理。

③ 不同子帶內的數據可以為不同類型的數據,既可以是多載波數據也可以是單載波數據,GFB-OFDM的子帶級處理模塊可以對不同數據類型的子帶一起進行處理,以實現單載波和多載波的融合處理。

④ 接收端按照現有的5G NR中OFDM的接收方法處理,并不會帶來額外的接收復雜度。

2 GFB-OFDM波形性能仿真分析

GFB-OFDM波形與5G NR的CP-OFDM波形的性能仿真對比及分析。表1為仿真參數,在本仿真中假設CP-OFDM波形可以支持16 384點數的IFFT(兩倍過采樣IFFT)。

表1 仿真參數Tab.1 Simulation parameters

2.1 帶外泄露

CP-OFDM和GFB-OFDM的功率譜密度(Power Spectral Density,PSD)如圖4所示。由于GFB-OFDM使用了多相濾波操作,因此帶外泄露會比較低,由圖4可以看出,GFB-OFDM的帶外泄露明顯低于CP-OFDM,因此可以減少保護帶寬,提高頻譜效率。

圖4 CP-OFDM和GFB-OFDM的帶外泄露對比Fig.4 Comparison of out-of-band leakage between CP-OFDM and GFB-OFDM

2.2 相同子載波間隔場景的誤塊率性能

在表1給出的仿真參數下,假設信道帶寬中的所有子載波間隔相同,并設子載波間隔為480 kHz。為了減少GFB-OFDM中子帶間的干擾,一級IFFT也采用兩倍過采樣,即通過補零的方式使用 2 048點IFFT。接收端采用傳統的CP-OFDM的接收算法,圖5給出了CP-OFDM和GFB-OFDM的誤塊率(Block Error Rate,BLER)性能仿真結果,可以看出,這兩種波形的BLER性能相同。這驗證了GFB-OFDM的BLER性能沒有損失。

圖5 相同子載波間隔場景的BLER性能Fig.5 BLER performance for the same subcarrier interval scenarios

2.3 不同子載波間隔場景的BLER性能

在表1給出的仿真參數下,假設信道帶寬中的子載波間隔存在不同,如圖6所示的不同子載波間隔子帶共存的情況,其中子帶4的子載波間隔為960 kHz,其余子帶的子載波間隔為480 kHz。傳統CP-OFDM無法將不同子帶的數據一起進行IFFT處理,而本文提出的GFB-OFDM方案可以將所有子帶一起處理,體現了該波形方案針對不同需求的靈活性,具體過程如圖7所示,將子帶4相鄰兩個符號的一級IFFT之后的數據分別添加CP之后串聯,然后與其他子帶的數據一起進行二級IFFT,其他處理不變。

圖6 頻域8個子帶的位置Fig.6 Locations of the 8 subbands in the frequency domain

圖7 不同子載波間隔的子帶數據處理過程Fig.7 Subband data processing procedure for different subcarrier intervals

圖7的仿真中,CP-OFDM波形對480 KHz子載波間隔的數據和960 KHz子載波間隔的數據分別采用16 384點數的過采樣IFFT操作,然后將兩個時域數據進行疊加形成一組時域數據。

圖8給出了接收端對子帶4傳輸的數據進行解調的BLER性能對比,由于子帶4會受到其他不同子載波間隔子帶的干擾,因此BLER性能會有所下降。由圖8可以看出,GFB-OFDM的性能比CP-OFDM要好,主要是因為GFB-OFDM發送端有多相濾波的作用,使得每個子帶的帶外泄露都很低,所以子帶間干擾要小于CP-OFDM的子帶間干擾,BLER性能比CP-OFDM要好,因此GFB-OFDM在不同子載波間隔場景時,會有一定的優勢。

圖8 不同子載波間隔場景的BLER性能Fig.8 BLER performance for different subcarrier interval scenarios

2.4 復雜度分析

GFB-OFDM相對于CP-OFDM而言,處理復雜度會更低,具體原因如下：

① CP-OFDM不同子載波間隔的子帶不能一起做IFFT,需要分開單獨處理,然后在時域上疊加,這樣處理復雜度很高。特別是當需要分開單獨處理的子帶個數增加時,會明顯增加處理復雜度。

② GFB-OFDM中,不同子載波間隔的子帶可以統一處理,而且子帶劃分會很靈活。在相同帶寬下,改變子帶劃分的大小及增加子帶個數,不會增加處理復雜度。

3 結束語

介紹了一種適合太赫茲通信場景的新波形方案——GFB-OFDM,該波形方案采用兩級小點數IFFT和多相濾波操作,實現大點數IFFT效果,支持大信道帶寬通信場景;子帶帶寬不變的情況下,通過調整子帶數量實現不同信道帶寬的數據傳輸,有利于在某些硬件不變的情況下靈活支持不同的信道帶寬需求;支持信道帶寬內子載波間隔靈活變化的場景需求及支持單載波和多載波的融合處理需求,且沒有增加處理復雜度。通過理論分析和仿真驗證,GFB-OFDM在太赫茲超大帶寬通信場景及不同子載波間隔需求場景下具有一定的優勢。

未來6G太赫茲通信將覆蓋很多復雜的應用場景,不同應用場景的需求在多個性能指標上也會有所不同。GFB-OFDM可以根據場景的改變和需求,支持和實現超大帶寬、超高速率、不同數據類型、不同子載波間隔、不同信道帶寬等參數的特殊需求。