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5G中F-OFDM调制的FPGA实现

作者:徐兰天时间:2017-10-27来源:电子产品世界
编者按:针对5G系统大带宽下F-OFDM调制急剧增加运算量,提出了一种适用于FPGA实现的F-OFDM调制方法,使运算量只有原来的子带宽数分之一,满足5G系统对F-OFDM信号产生的低延时要求,可用于5G系统物理层信号发生单元,以及5G测试的信号源中。

作者 徐兰天 中国电子科技集团公司第四十一研究所(安徽 蚌埠 233010)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/370665.htm

*基金项目:中国电科技术创新基金项目《微波毫米波大带宽大规模MIMO测试技术研究》

徐兰天(1985-),男,工程师,研究方向:基带处理与测试技术。

摘要:针对系统大带宽下调制急剧增加运算量,提出了一种适用于FPGA实现的调制方法,使运算量只有原来的子带宽数分之一,满足系统对信号产生的低延时要求,可用于系统物理层信号发生单元,以及5G测试的信号源中。

引言

  5G(The 5th Generation Mobile Communication System,5G)作为下一代移动通信系统,ITU给出了明确的时间规划,预计2020年推出5G通信标准[1]。现今,5G关键技术研究已经正如火如荼开展。波形作为无线通信物理层关键的技术之一,业界尚未对5G系统波形给出明确定义。F-OFDM以其灵活参数配置,成为5G系统候选波形之一。F-OFDM是由华为提出的一种可变子带带宽的自适应空口波形调制技术,其基本思想是将OFDM 载波带宽划分成多个不同参数的子带,通过滤波实现各子带间参数配置的解耦。F-OFDM支持每个子带可配置不同的传输时间间隔、长度和子载波间隔等参数,因而实现灵活自适应的空口,增强系统对各种业务的支持能力,提高系统的灵活性和可扩展性[2]

  F-OFDM调制技术研究国内外已有许多参考文献[3-4],主要针对F-OFDM性能,包括与传统OFDM性能比较,与其他候选波形(W-OFDM、FBMC、FB-OFDM和UFMC)性能比较。对F-OFDM调制具体实现研究多是基于传统OFDM的基础进行的,调制带宽设置为20MHz。5G系统的调制带宽从几十MHz跨越到500MHz、1GHz、2GHz,聚合带宽达到10GHz,对F-OFDM调制实现提出了更高的要求。本文给出了一种适合FPGA实现的F-OFDM调制方法,可用于5G系统物理层信号发生单元,以及5G测试的信号源中。

1 F-OFDM调制原理

  F-OFDM是基于OFDM的改进方案,能兼容LTE 4G系统、又能满足未来5G发展的需求。图1给出了5G系统F-OFDM调制流程,包括子带宽划分、、IFFT、增加和滤波器等单元。与OFDM调制相比,F-OFDM把整个带宽划分若干独立的子带宽,每个子带宽参数可以根据信道特性设置,并进行OFDM调制,最后增加一级滤波器处理。因此F-OFDM除了具备传统 OFDM 的优点外,在带外信号频谱泄漏和频谱利用率上有很好的性能。

  1)单元把数据分别映射到各个子带上,不同子带之间需要预留保护子载波来隔离子带间的干扰;

  2)IFFT单元对各个子带分别进行IFFT变换。由于2个子带的子载波间隔不同,为了达到相同的采样率,需要使用不同的FFT size;

  3)增加单元加循环前缀的操作与LTE中的方法相同;

  4)滤波器单元完成各个子带用本子带的滤波器进行滤波,限制本子带在频域上的功率泄露。

2 F-OFDM调制实现

  从F-OFDM调制原理可以看出,当整个带宽增加时,IFFT的长度也线性增加,这为F-OFDM调制FPGA实现带来了巨大挑战。本文给出了适合FPGA实现的5G系统F-OFDM调制方法,通过子带宽数据的零频搬移,减小IFFT和滤波运算长度,降低F-OFDM调制的运算量,满足5G系统对F-OFDM信号产生的低延时要求,该调制方法流程图如图2所示,包括子载波零频映射单元、IFFT与CP单元、插零与滤波单元、频谱搬移与拼接单元和子带宽合并单元。

2.1 子载波零频映

  F-OFDM调制的各个子带宽的原始数据进入子载波零频映射单元,实现的功能。子载波零频映射通过直接映射完成频谱的频域搬移,并形成IFFT运算的数据格式,如图3所示。

  2.2 IFFT与CP

   滤波器的脉冲响应和频域响应如图4所示。

2.4 频谱搬移与拼接

  频谱搬移与拼接单元实现子载波映射还原以及子符号数据合并的功能。为了保证搬移后的数据与理论值的一致性,时域复数正弦信号ti的相位要与IFFT的数据对齐,即IFFT的第一个数据对应零相位,同时要保证相位的连续性。

  其中,Fio为子带宽的中心频率。为了消除时域分段滤波带来的影响,需对进行拼接处理。拼接处理流程是指相邻两个子符号的首尾lifilter-1数据进行叠加,其频谱对比如图5所示。

2.5 子带宽合并

  子带宽合并单元通过信号合并完成F-OFDM调制信号输出的功能。子带宽合并直接把子带宽时域数据进行叠加。

3 结论

  本文目的在于克服5G系统大带宽下F-OFDM调制急剧增加运算量,提出了一种适用于FPGA实现的F-OFDM调制方法,通过子载波零频映射,降低IFFT和滤波运算长度,使运算量只有原来的1/N,其中N为系统划分的子带宽数目。该实现方法满足5G系统对F-OFDM信号产生的低延时要求,可应用到5G系统信号发生器和基带产生单元中,有效推动5G系统标准验证以及硬件研发。

  参考文献:

  [1] IMT-2020(5G)推进组.5G愿景与需求白皮书[R].2015.

[2] W. H. Chin, F. Zhong,R. Haines.Emerging Technologies and Research Challenges for 5g Wireless etworks. IEEE Wireless Commun.4, 2014.

  [3]吴华.滤波器组多载波系统快速实现及同步技术研究[D].重庆:重庆大学,2009.

  [4]X ZHANG,M JIA,L CHEN,etal. Filtered-OFDM Enabler for Flexible Waveform in The 5th Generation Cellular Networks[C]. 2015 IEEE Global Communications Conference ( GLOBECOM). IEEE, 2015.

  [5]华为技术有限公司.Filtered-OFDM 技术简介-for Inno-vateAsia[R].5G算法大赛, 2015..

  本文来源于《电子产品世界》2017年第11期第39页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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