R1-163110：Docomo對一些波形的鏈路級性能評估
R1-163110, Initial link levelevaluation of waveforms，NTT DOCOMO
編者注：本提案是在波形討論工作剛開始進(jìn)行時(shí)的RAN1 #84b會議上提交的，雖然較早，但是應(yīng)該不影響技術(shù)理解和分析。其結(jié)論和內(nèi)容對我們理解各種波形的特點(diǎn)和差異和有幫助，特此翻譯整理出來，供大家參考。另外，其中有些許內(nèi)容沒有翻譯，如果有理解方面的疑問，請參考原文分析研究。也歡迎大家指正。目錄如下：
1. 評估的波形
1.1 CP-OFDM
1.2 W-OFDM
1.3 F-OFDM
1.4 FBMC/OQAM
2. 仿真條件
3. 初步結(jié)果評估
3.1 信號界定(confinement)
3.2 PAPR
3.3 SISO
3.4 MIMO
3.5 同步性
4. 總體比較
5. 基本結(jié)論
1. 評估的波形
以CP-OFDM為基準(zhǔn)，分析對比W-OFDM、F-OFDM的2種變形，以及FBMC/OQAM。
1.1 CP-OFDM
OFDM適用于多種無線標(biāo)準(zhǔn)，如WiFi、WiMax和LTE。另外，采用CP-OFDM可以提供更多好處，如采用FFT來有效抵抗多徑衰落，且與MIMO有較好的適配性。下圖為CP-OFDM發(fā)射機(jī)框圖。
CP-OFDM的缺點(diǎn)在于帶外泄漏比較高，因此需要較大的保護(hù)帶寬，難以使用窄帶頻譜(white spaces)。使用CP還降低了總體頻譜效率，對于異步和高速移動(dòng)性用戶，ICI的累加可能是系統(tǒng)總體性能降低。另外，如果不插入大的保護(hù)帶寬，則CP-OFDM的參數(shù)集(numerology)難以在相鄰頻帶內(nèi)靈活改變。
1.2 W-OFDM
LTE系統(tǒng)中，通常對CP-OFDM的時(shí)域信號進(jìn)行加窗(windowing)，以滿足頻譜發(fā)射模板(mask)的要求。這種系統(tǒng)我們稱之為M-OFDM。W-OFDM天然具有CP-OFDM的特點(diǎn)，但是采用加窗技術(shù)后，帶外泄漏得到有效抑制。從而更適用于異步多址接入。因此，在高速移動(dòng)場景下，除了CP-OFDM的缺陷之外，不同加窗長度和新到傳播延遲下，由于ICI的累加，還可能會引入一些系統(tǒng)間干擾(ISI)。W-OFDM發(fā)射機(jī)框圖示意如下。
1.3 F-OFDM
F-OFDM可以看作是不采用濾波的CP-OFDM和采用子載波濾波的FBMC/OQAM之間的一個(gè)折中。F-OFDM中，對一組子載波即子帶進(jìn)行濾波。整個(gè)系統(tǒng)帶寬被分成幾個(gè)子帶，每個(gè)子帶分別過濾，過濾后的子帶根據(jù)時(shí)頻資源的分配來進(jìn)行傳送。
濾波器的選擇很靈活，其目標(biāo)在于降低帶外(OOB)發(fā)射和帶內(nèi)失真。另外，采用不同濾波器時(shí)，F(xiàn)-OFDM的實(shí)際性能嚴(yán)重取決于所考慮的場景和實(shí)際的濾波器設(shè)計(jì)。
相比CP-OFDM，更低的帶外雜散使得F-OFDM更適于異步多址接入。它具有CP-OFDM的一些優(yōu)點(diǎn)，如通過對附加濾波的適當(dāng)選擇，使帶內(nèi)失真的數(shù)量(amount)得以限制(limited)，從而提高頻譜效率。另外，不同子帶間也支持靈活的參數(shù)集。
然而，類似于CP-OFDM，在高速移動(dòng)情況下，ICI的累加會降低系統(tǒng)整體性能
考慮2種F-OFDM。第一種是UF-OFDM，相對于CP-OFDM來講，它不使用CP，但是在時(shí)域符號間采用零進(jìn)行填充。選擇的濾波器具有短的時(shí)間相應(yīng)，以便濾波器的尾部能夠完全覆蓋在零填充里面，從而使得符號在時(shí)域內(nèi)不會重疊，頻率乒壇衰落信道上不會產(chǎn)生ISI。發(fā)射機(jī)框圖如下。
F-OFDM的另一種變形是f-OFDM，它保持CP-OFDM中的CP，但是所采用的濾波器的響應(yīng)時(shí)間比UF-OFDM要長，但比FBMC/OQAM要短。由于濾波器尾部超過CP長度，所以即使頻率平坦型衰落信道也存在一定數(shù)量的ISI，但是通過對濾波器的合理選擇，可使ISI的影響保持在相當(dāng)小的范圍內(nèi)。f-OFDM的發(fā)射機(jī)框圖示意如下。
接受側(cè)，接收信號首先通過與發(fā)射端相匹配的濾波器，然后再通過慣用的CP-OFDM接收機(jī)1.4 FBMC/OQAM
FBMC/OQAM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，收/發(fā)端都對每個(gè)子載波進(jìn)行濾波。所選擇的濾波器時(shí)域較長，以使頻域獲得更好的localization。其目標(biāo)場景是無需精準(zhǔn)同步的異步傳輸、零碎頻譜、感知無線電、高速移動(dòng)用戶(多普勒頻移大)等，在同一帶寬內(nèi)可以有效進(jìn)行基本參數(shù)的自適應(yīng)，如子載波間隔或者符號長度。另外，由于不采用CP，所以可以獲得更高的頻譜效率。
然而，要獲得FBMC/OQAM的這些特性，還需要付出一些代價(jià)，這就是正交性條件有所放松，需要從使用QAM的復(fù)數(shù)域(complexfield)放松到使用OQAM的實(shí)數(shù)域(real field)。其影響就是，CP-OFDM的一些正交設(shè)計(jì)如發(fā)射分集(如Alamouti)和離散的基于導(dǎo)頻的信道估算不能直接用于FBMC/OQAM。其背后的主要原因是存在內(nèi)在干擾(intrinsic interference)。此外，系統(tǒng)復(fù)雜性也是一個(gè)嚴(yán)重的問題。FBMA/OQAM發(fā)射機(jī)的復(fù)雜性與采用特定實(shí)現(xiàn)技術(shù)的CP-OFDM具有可比性，然而，接收機(jī)的復(fù)雜性增加仍然是個(gè)缺點(diǎn)。下圖為基于多相實(shí)現(xiàn)的FBMC/OQAM發(fā)射機(jī)框圖。
2. 仿真條件
采用3GPP TS 36.213 V12.5.0的MCS和碼率等信息。其它相關(guān)參數(shù)如下：
3. 初步結(jié)果評估
基于提案中給定的仿真條件，根據(jù)仿真結(jié)果，對比分析不同波形的性能和特性。如頻譜特性、時(shí)域特性、峰均比(PAPR)等。同時(shí)，還比較了不同場景下的特性，如寬帶通信、高速移動(dòng)性以及異步接入等。
3.1 信號界定(confinement)
將不同波形的功率譜密度與CP-OFDM做對比。FBMC/OQAM的帶外泄漏比CP-OFDM有顯著降低。f-OFDM和W-OFDM的降低不如FBMC/OQAM明顯，但F-OFDM要優(yōu)于W-OFDM，它們嚴(yán)重取決于所使用的濾波器和窗口。帶外泄漏低更適合于異步多址接入和高速移動(dòng)性場景。
3個(gè)符號的短突發(fā)的時(shí)域信號幅度如上圖所示。可見，W-OFDM和F-OFDM比FBMC/OQAM更適合于短突發(fā)傳送和/或相當(dāng)?shù)蜁r(shí)延的場景，這是因?yàn)镕BMC/OQAM通常使用長的濾波器，從而降低了整體效率，增加了上行和極短突發(fā)情況下的時(shí)延。
3.2 PAPR
多載波傳輸?shù)娜秉c(diǎn)是PAPR高，從而給發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)，尤其對UE挑戰(zhàn)更大(上行)。在LTE和LTE-A中，上行對OFDM采用DFT擴(kuò)展來降低PAPR。DFT-s-OFDM (或SC-FDMA)類似單載波，它繼承了OFDM的好處，但是PAPR較低。
采用DFT與否進(jìn)行對比，假定DFT擴(kuò)展長度為160且沒有導(dǎo)頻符號。
可以觀察到，不采用DFT時(shí)所有波形都具有大致相同的PAPR性能，但FBMC/OQAM的PAPR降低更小。這是FBMC/OQAM的缺點(diǎn)。其他資料表明，不采用DFT的FBMC/OQAM的PRAP降低優(yōu)于DFT-s-OFDM/OQAM，但還沒有好過基于OFDM的波形。
引入DFT擴(kuò)展后， F-OFDM和W-OFDM相比CP-OFDM而言，對PAPR的影響一致。FBMC/OQAM的PAPR降低相對其他波形來說則更小。
3.3 SISO
采用線性迫零接收機(jī)和2個(gè)不同的衰落信道模型：EPA和EVA，還考慮不同的最大多普勒頻移(用戶移動(dòng)性)和MCS值。
在一定的信道條件下，對比不同MCS下的SISO性能可知，在低碼率情況下，所有波形在相同的MCS下具有相似的性能。但f-OFDM在高碼率下性能有些微降低。由于采用了濾波，所過濾的子帶的邊緣子載波上的功率較低，導(dǎo)致性能下降。這種性能下降只在碼率高的情況下才能觀察到。
在子帶的邊緣引入toneoffset子載波(空子載波)，可以降低性能損失。在濾波器通帶帶寬內(nèi)引入Tone offset使得濾波器帶寬更大，因此，所使用的數(shù)據(jù)子載波上具有更平坦的功率。
從上面一些圖可以觀察到，合理的用戶移動(dòng)條件下，所有波形都具有相同的性能。然而，在極度高的(extreme)用戶移動(dòng)性下，F(xiàn)BMC/OQAM比基于OFDM的波形的增益要大，因?yàn)樗鼘Υ蟮亩嗥绽疹l移具有更高的強(qiáng)壯性，因此更適于高移動(dòng)性場景。
3.4 MIMO
2x2 MIMO開環(huán)空間復(fù)用條件下，采用線性MMSE接收機(jī)，在特定的MCS下，所有波形的性能差不多，沒有哪個(gè)表現(xiàn)得更好。但是像上面提到的，F(xiàn)BMC/OQAM不能使用一些非線性算法如Alamouti或者球形(sphere)檢測等。
3.5 同步性
關(guān)于同步性，在異步接入傳輸時(shí)，測試用戶和干擾用戶的發(fā)射功率相同、干擾用戶功率高20dB和40dB情況時(shí)，對比其BLER性能可知，W-OFDM、UF-OFDM、f-OFDM和FBMC/OAM的性能都比CP-OFDM要好，這是因?yàn)樗鼈兙哂休^小的帶外泄漏。但是，為了獲得與同步CP-OFDM相同的性能，F(xiàn)BMC/OQAM和f-OFDM比其他帶寬需要更小的保護(hù)帶子載波數(shù)。
4. 總體比較
5. 基本結(jié)論
根據(jù)以上對比分析，建議將CP-OFDM作為基礎(chǔ)波形。考慮W-OFDM和F-OFDM作為新波形的候選項(xiàng)。
