5G物理层技术漫谈之：新空口波形技术标准之争

3. 新空口之波形技术

根据现有各大厂商提交的候选波形来看：OFDM作为一种重要的多载波技术，不仅仅在4G系统中得到了广泛的应用，而且作为5G系统的重要候选波形之一仍然被众多研究人员所推崇。但是与前几代移动通信系统相比，5G系统设计时不仅要考虑移动宽带业务，同时也会考虑未来对于海量机器连接以及高可靠低时延业务的支持。OFDM原来固有的一些缺陷，对于未来更加多样化的业务，更高的频谱效率以及海量连接，是远远不够的。因此为了满足未来应用的需求，同时考虑到对于低时延，零碎频谱使用，非严格同步以及在高速情况下系统鲁棒性等5G系统所面临的挑战，许多新的多载波波形方案被提出，比如：FBMC，UFMC，GFDM以及F-OFDM等。
 

3.1 先来看看FBMC（Filter Bank Multi Carrier，基于滤波器组的多载波技术）：

首先说明的是：FBMC和OFDM在历史上还真的一毛钱关系都没有： 60年代中期提出FBMC基本概念的时候，OFDM还没影呢，这要比OFDM的提出还要早……不过由于FBMC复杂度太高一直被埋没。不过借着5G这股东风，FBMC貌似有起死回生的效果。

大家都知道，对于OFDM系统而言，系统带宽内只有一个滤波器，所有的子载波都在这个滤波器内，而且需要子载波完全正交来保证子载波之间没有干扰。和OFDM不同的是，FBMC是给每个子载波都根据需要加了一个单独的滤波器，这样的目的很简单，消除子载波之间的干扰，所以这也是为啥FBMC和OFDM没啥关系的原因，最开始的FBMC压根不需要子载波完全正交。同样的，在OFDM系统中，为了在多径环境下保证子载波的正交性，需要在OFDM符号之前插入循环前缀（CP），而在FBMC系统中，只要滤波器足够好，根本也不需要所谓的CP来对抗载波干扰，所以大大提高了频谱效率。不过，单单靠滤波器是做不了这么大的事儿的，FBMC还有一点和重要，那就是有加了个OQAM的调制方式，来保证正交，这才能完全的不依赖于CP和正交子载波来对抗前面所说的ISI和ICI。而且，可以根据设计的滤波器形式，满足未来5G高时延和低时延的广泛的应用需求。

看上去是不是很牛？又提高了频谱效率，又不要正交，又能通过滤波器抑制带外辐射，又能满足不同场合需求（高时延和低时延）。不过，不要高兴的太早：世界上没有什么是完美的，否则也不会有那么多的竞争对手了。

对于FBMC而言：因为滤波器设计的需要，首先增加了设计系统的复杂度和增加了设备的硬件开销；其次，因为FBMC没有通过CP而仅仅通过滤波器来抵抗ICI，在信道估计时存在很大困难，所以与MIMO结合存在很大的困难，这对FBMC而言，是个致命的缺点；最后，因为子载波的带宽很窄，所以相应滤波器的冲激响应通常很长，阶数要很多，所以对于某些短突发传输的场合并不适用。

3.2 再来看看UFMC（Universal Filter Multi Carrier，通用滤波多载波）

从FBMC我们可以看到，虽然FBMC有一些优势，但在MIMO传输和低突发场景中存在的问题可能会降低FBMC的有效性。不过别急，一种针对FBMC的改进方案应运而生，这就是通用滤波多载波UFMC。

UFMC不是像FBMC那样，对每个子载波独立进行滤波操作，而是对一组连续的子载波进行滤波处理。很想然，当每组子载波的数目变成1时，对应的就是FBMC。

对一组连续子载波进行滤波可以使UFMC具有更大的灵活性，它除开具有FBMC传输的优点外，从低带宽、低功率的物联网设备到高带宽的视频传输，UFMC都可以支持。相比于FBMC的滤波器长度，UFMC技术可以使用较短滤波器长度，这样可以支持短突发通信，可以作为未来5G无线系统支持大量MTC（机器通信）和低成本IOT（物联网）传输的一个潜在候选技术。而UFMC只需控制一组连续子载波的旁瓣和带外抑制，可以明显减少旁瓣对邻道的干扰，并降低滤波器实现的复杂度。

同时，在UFMC中，我们可以选择支持增加CP。这会带来两个好处：首先，由于增加了CP，提高了抵抗ICI的能力，更方便的实现信道估计，进而和MIMO技术相结合；另外，根据CP配置的不同，UFMC可以提供不同的子载波带宽和符号长度，可以满足不同业务的视频资源要求。

不过，虽然UFMC比FMBC有更多的优势，但在实际应用中，大尺度的时延扩散，需要更高阶的滤波器来实现。同时，在接收机处也需要更复杂的算法，而增加系统的复杂度。而因为CP并不是必须要添加，所以也会引起符号干扰和子载波间的干扰