[论文解读] Pulse Shaped OFDM for 5G Systems

Zhao Zhao, Malte Schellmann+4 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

PAPR reduction in OFDM参考文献 20被引用 6

一句话总结

本文提出脉冲成形OFDM作为5G系统的一种灵活波形，通过成形脉冲滤波器在不显著增加复杂度的情况下提升频谱效率并减少带外泄漏。结果表明，脉冲成形可增强频率局部化能力并提高对时域/频域失真的鲁棒性，从而实现高效的频谱共享，并支持多样化5G业务，仅增加1–2%的处理开销，相比CP-OFDM。

ABSTRACT

OFDM-based waveforms with filtering or windowing functionalities are considered key enablers for a flexible air-interface design for multi-service support in future 5G systems. One candidate from this category of waveforms is pulse shaped OFDM, which follows the idea of subcarrier filtering and aims at fully maintaining the advantages of standard OFDM systems while addressing their drawbacks. In this paper, we elaborate on several pulse shaping design methods, and show how pulse shapes can be exploited as an additional degree of freedom to provide better frequency localization and more efficient spectrum utilization under a pre-defined spectrum mask. The performance analysis and evaluation results show that, for a practical mobile communication systems, the application of pulse shaping is a simple and effective means to achieve a lower out-of-band leakage for OFDM systems at virtually no costs. In fact, the complexity increase amounts to 1-2% compared to CP-OFDM only. In addition, the system's robustness against both time and frequency distortions is shown to be substantially improved by a proper pulse shape design. By allowing for the flexible configuration of physical layer parameters per sub-band according to the diverse requirements of future 5G services, pulse shaped OFDM systems can efficiently facilitate asynchronous transmissions and fragmented spectrum access, rendering it beneficial for various mobile-broadband and Internet-of-Things applications.

研究动机与目标

• 为解决传统CP-OFDM在5G系统中带外泄漏高、频谱包容性差的局限性。
• 探索脉冲成形作为额外自由度，以改善频率局部化与频谱效率。
• 评估在带外发射、对时域与频域失真（如多普勒扩展、载波频偏、相位噪声）的鲁棒性以及系统复杂度方面的性能增益。
• 证明脉冲成形OFDM在异步传输与频谱碎片化接入中的可行性与优势。
• 表明脉冲成形可实现极低开销（1–2%）的同时显著提升频谱与系统性能。

提出的方法

• 本文建立通用OFDM系统模型，引入脉冲成形，其中发射信号通过时移与频移的原型脉冲形状 $ g(t) $ 构成，实现子载波滤波。
• 接收端采用匹配或非匹配滤波，利用接收脉冲 $ \gamma(t) $，以实现信噪比最大化或干扰抑制优化。
• 采用滤波器组框架对系统进行分析，通过设计脉冲形状以实现期望的频域与时域特性。
• 评估多种脉冲成形方法，包括矩形窗、升余弦窗及其他加窗脉冲，以在频谱包容性与带外泄漏之间取得平衡。
• 在真实5G场景下评估性能，包括多普勒扩展、载波频偏与相位噪声，采用EVM与SINR指标进行分析。
• 通过计算复杂度分析评估实现影响，结果表明其复杂度仅比标准CP-OFDM高出1–2%。

实验结果

研究问题

• RQ1 脉冲成形是否能在保持低复杂度的前提下显著降低OFDM系统的带外泄漏？
• RQ2 脉冲成形在多普勒扩展与相位噪声等时域与频域失真下，如何提升系统鲁棒性？
• RQ3 脉冲成形在多大程度上可实现5G系统中灵活的异步与频谱碎片化接入？
• RQ4 在脉冲成形OFDM中，频谱包容性、信号完整性与处理开销之间的权衡关系如何？
• RQ5 与现有波形（如CP-OFDM、ZP-OFDM与DFTs-OFDM）相比，脉冲成形OFDM在性能与灵活性方面表现如何？

主要发现

• 脉冲成形显著降低带外泄漏，可在预定义频谱掩模下实现更好的频谱共存，且性能下降可忽略。
• 通过合理设计脉冲形状，系统对多普勒扩展与相位噪声等失真表现出更强鲁棒性。
• 与标准CP-OFDM相比，复杂度仅增加1–2%，使其在5G系统中具备实际可行性。
• 脉冲成形OFDM支持子带级灵活配置，可高效支持eMBB、MCC与mMTC等多样化5G业务。
• 该波形支持异步传输与频谱碎片化接入，显著提升未来无线网络的系统灵活性。
• 通过EVM与SINR指标量化性能增益，结果表明256QAM的EVM要求（3.5%）对应最小SINR为29.12 dB，经合理脉冲成形设计可满足该要求。