[论文解读] An Enabling Waveform for 5G - QAM-FBMC: Initial Analysis

Yinan Qi, Mohammed Al-Imari|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 3被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新型5G波形QAM-FBMC，通过使用多个原型滤波器，实现了在滤波器组多载波（FBMC）系统中高效传输正交幅度调制（QAM）。该波形在存在相位噪声和信道估计误差的情况下表现出鲁棒性能，误比特率（BER）性能与循环前缀正交频 division multiplexing（CP-OFDM）相当，且无需循环前缀带来的频谱效率损失，同时具备较低的带外辐射和适中的复杂度。

ABSTRACT

In this paper, we identified the challenges and requirements for the waveform design of the fifth generation mobile communication networks (5G) and compared Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) based waveforms with Filter Bank Multicarrier (FBMC) based ones. Recently it has been shown that Quadrature-Amplitude Modulation (QAM) transmission and reception can be enabled in FBMC by using multiple prototype filters, resulting in a new waveform: QAM-FBMC. Here, the transceiver architecture and signal model of QAM-FBMC are presented and channel estimation error and RF impairment, e.g., phase noise, are modeled. In addition, initial evaluation is made in terms of out-of-band (OOB) emission and complexity. The simulation results show that QAM-FBCM can achieve the same BER performance as cyclic-prefix (CP) OFDM without spectrum efficiency reduction due to the adding of CP. Different equalization schemes are evaluated and the effect of channel estimation error is investigated. Moreover, effects of the phase noise are evaluated and QAM-FBMC is shown to be robust to the phase noise.

研究动机与目标

• 解决CP-OFDM在5G网络中频谱效率和带外辐射的局限性。
• 通过使用多个原型滤波器，实现在FBMC系统中的QAM调制，从而构建QAM-FBMC。
• 评估QAM-FBMC在相位噪声和信道估计误差等实际畸变下的性能表现。
• 从误比特率（BER）、频谱效率和复杂度三个方面，将QAM-FBMC与CP-OFDM进行比较。
• 评估QAM-FBMC对射频畸变的鲁棒性及其在5G应用场景中的适用性。

提出的方法

• 设计一种基于多个原型滤波器的QAM-FBMC收发器架构，以支持FBMC中的QAM信号传输。
• 在QAM-FBMC信号模型中建立射频畸变（包括相位噪声和信道估计误差）的数学模型。
• 实现多种均衡方案，以抑制QAM-FBMC中的载波间干扰。
• 采用具有余弦 roll-off 特性的原型滤波器组结构，以整形子载波并降低带外辐射。
• 在加性白高斯噪声（AWGN）和瑞利衰落信道下进行基于仿真的性能评估。
• 使用相同的调制格式和频谱掩模，将QAM-FBMC与CP-OFDM进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 QAM-FBMC是否能在不引入循环前缀频谱效率损失的前提下，实现与CP-OFDM相当的误比特率（BER）性能？
• RQ2 QAM-FBMC在相位噪声和信道估计误差下的性能表现如何？
• RQ3 与CP-OFDM相比，QAM-FBMC的带外辐射电平如何？
• RQ4 QAM-FBMC的复杂度与CP-OFDM相比如何，尤其是在均衡和滤波阶段？
• RQ5 多个原型滤波器是否能有效实现FBMC中的QAM传输，同时保持良好的频谱受限特性？

主要发现

• 在相同条件下，QAM-FBMC实现了与CP-OFDM相当的误比特率（BER）性能，且无需使用循环前缀。
• QAM-FBMC的带外（OOB）辐射显著低于CP-OFDM，从而提升了频谱效率。
• 该波形对相位噪声表现出强鲁棒性，在高相位噪声水平下仍能保持稳定性能。
• 信道估计误差会降低性能，但QAM-FBMC在中等估计精度下仍具备可行性。
• QAM-FBMC中的均衡方案能有效抑制载波间干扰，其性能取决于滤波器设计和信道条件。
• QAM-FBMC的复杂度适中，滤波和均衡的开销因无需循环前缀而得到平衡。