[论文解读] Filtered-OFDM - Enabler for Flexible Waveform in The 5th Generation Cellular Networks

Xi Zhang, Ming Jia+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2015

PAPR reduction in OFDM被引用 23

一句话总结

本文提出了一种滤波正交频 division multiplexing（f-OFDM）波形，作为5G网络中灵活的波形启用技术，通过基于子带的资源分配、优化的子带参数配置和滤波技术，减少带外辐射（OOBE）和保护带，从而提升系统性能。仿真结果表明，通过根据不同的服务类型和信道条件自适应调整波形，f-OFDM相比传统OFDM可实现高达46%的吞吐量增益。

ABSTRACT

The underlying waveform has always been a shaping factor for each generation of the cellular networks, such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) for the 4th generation cellular networks (4G). To meet the diversified and pronounced expectations upon the upcoming 5G cellular networks, here we present an enabler for flexible waveform configuration, named as filtered-OFDM (f-OFDM). With the conventional OFDM, a unified numerology is applied across the bandwidth provided, balancing among the channel characteristics and the service requirements, and the spectrum efficiency is limited by the compromise we made. In contrast, with f-OFDM, the assigned bandwidth is split up into several subbands, and different types of services are accommodated in different subbands with the most suitable waveform and numerology, leading to an improved spectrum utilization. After outlining the general framework of f-OFDM, several important design aspects are also discussed, including filter design and guard tone arrangement. In addition, an extensive comparison among the existing 5G waveform candidates is also included to illustrate the advantages of f-OFDM. Our simulations indicate that, in a specific scenario with four distinct types of services, f-OFDM provides up to 46% of throughput gains over the conventional OFDM scheme.

研究动机与目标

• 解决传统OFDM在5G网络中的局限性，包括固定的子带参数配置、较高的带外辐射（OOBE）以及严格的同步要求。
• 实现灵活的波形配置，以支持多种5G服务，如超可靠低时延通信（URLLC）、大规模机器类通信（mMTC）和增强型移动宽带（eMBB）。
• 通过子带滤波和保护音优化，最小化保护带使用并降低子带间干扰。
• 在保持低计算复杂度和与4G LTE后向兼容性的前提下，提升整体频谱效率。

提出的方法

• 将分配的带宽划分为多个子带，每个子带根据服务类型和信道特性独立配置优化的OFDM参数（子载波间隔、循环前缀长度、传输时间间隔TTI）。
• 对每个子带应用根升余弦（RRC）滤波器，以抑制子带间干扰并降低OOBE，从而支持子带间的异步传输。
• 在子带之间引入保护音，以抑制干扰，其设计经过优化以最小化频谱浪费。
• 在子带内打破时域正交性，以显著降低OOBE，同时性能损失可忽略，从而放宽同步要求。
• 采用多子带收发器结构（图1），支持每个子带独立的波形处理。
• 基于4G LTE的仿真平台，采用真实信道模型（EPA、ETU、EVA、改进型EVA）和调制编码方案（MCS）自适应机制评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统OFDM相比，f-OFDM是否能在最小化保护带使用的同时显著降低带外辐射（OOBE）？
• RQ2 f-OFDM通过实现子带特定的子带参数配置和波形自适应，能在多大程度上提升频谱效率？
• RQ3 在子带间干扰和异步传输条件下，f-OFDM的性能表现如何？
• RQ4 在异构服务环境中，f-OFDM相比传统OFDM可实现多大的吞吐量增益？
• RQ5 f-OFDM如何支持与传统OFDM系统的共存，并实现从4G LTE的平滑演进？

主要发现

• f-OFDM显著降低了OOBE，即使在1-MHz保护带条件下，如频谱掩模测量结果所示（图8）。
• 仅在子带之间使用两个保护音时，f-OFDM在10 dB功率不平衡条件下仍能保持与无干扰单个OFDM系统相当的BLER性能（图10）。
• 在包含四种服务类型（行人、城市、高速公路、V2V）的异构场景中，f-OFDM相比传统OFDM可实现高达46%的总吞吐量增益。
• 吞吐量增益主要源于保护带使用减少和子带内参数优化，例如：低延迟扩展信道采用更短的循环前缀，高速移动场景采用更宽的子载波间隔。
• f-OFDM支持子带间的异步传输，从而降低了对全局时频同步的需求。
• f-OFDM保持了较低的计算复杂度，并支持与4G LTE的后向兼容性，使其成为5G空中接口演进的有力候选方案。