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行時的RAN1 #84b會議上提交的，雖然較早，但是應該不影響技術理解和分析。其結論和內容對我們理解各種波形的特點和差異和有幫助，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. 基本結論

1.   評估的波形

以CP-OFDM為基準，分析對比W-OFDM、F-OFDM的2種變形，以及FBMC/OQAM。

1.1  CP-OFDM

OFDM適用于多種無線標準，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發射機框圖。

CP-OFDM的缺點在于帶外泄漏比較高，因此需要較大的保護帶寬，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性用戶，ICI的累加可能是系統總體性能降低。另外，如果不插入大的保護帶寬，則CP-OFDM的參數集(numerology)難以在相鄰頻帶內靈活改變。

1.2  W-OFDM

LTE系統中，通常對CP-OFDM的時域信號進行加窗(windowing)，以滿足頻譜發射模板(mask)的要求。這種系統我們稱之為M-OFDM。W-OFDM天然具有CP-OFDM的特點，但是采用加窗技術后，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間干擾(ISI)。W-OFDM發射機框圖示意如下。

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之間的一個折中。F-OFDM中，對一組子載波即子帶進行濾波。整個系統帶寬被分成幾個子帶，每個子帶分別過濾，過濾后的子帶根據時頻資源的分配來進行傳送。

濾波器的選擇很靈活，其目標在于降低帶外(OOB)發射和帶內失真。另外，采用不同濾波器時，F-OFDM的實際性能嚴重取決于所考慮的場景和實際的濾波器設計。

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的一些優點，如通過對附加濾波的適當選擇，使帶內失真的數量(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集。

然而，類似于CP-OFDM，在高速移動情況下，ICI的累加會降低系統整體性能

考慮2種F-OFDM。第一種是UF-OFDM，相對于CP-OFDM來講，它不使用CP，但是在時域符號間采用零進行填充。選擇的濾波器具有短的時間相應，以便濾波器的尾部能夠完全覆蓋在零填充里面，從而使得符號在時域內不會重疊，頻率乒壇衰落信道上不會產生ISI。發射機框圖如下。

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時間比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的影響保持在相當小的范圍內。f-OFDM的發射機框圖示意如下。

接受側，接收信號首先通過與發射端相匹配的濾波器，然后再通過慣用的CP-OFDM接收機1.4  FBMC/OQAM

FBMC/OQAM是一種多載波調制技術，收/發端都對每個子載波進行濾波。所選擇的濾波器時域較長，以使頻域獲得更好的localization。其目標場景是無需精準同步的異步傳輸、零碎頻譜、感知無線電、高速移動用戶(多普勒頻移大)等，在同一帶寬內可以有效進行基本參數的自適應，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，這就是正交性條件有所放松，需要從使用QAM的復數域(complexfield)放松到使用OQAM的實數域(real field)。其影響就是，CP-OFDM的一些正交設計如發射分集(如Alamouti)和離散的基于導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在干擾(intrinsic interference)。此外，系統復雜性也是一個嚴重的問題。FBMA/OQAM發射機的復雜性與采用特定實現技術的CP-OFDM具有可比性，然而，接收機的復雜性增加仍然是個缺點。下圖為基于多相實現的FBMC/OQAM發射機框圖。

2.   仿真條件

采用3GPP TS 36.213 V12.5.0的MCS和碼率等信息。其它相關參數如下：

3.   初步結果評估

基于提案中給定的仿真條件，根據仿真結果，對比分析不同波形的性能和特性。如頻譜特性、時域特性、峰均比(PAPR)等。同時，還比較了不同場景下的特性，如寬帶通信、高速移動性以及異步接入等。

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要優于W-OFDM，它們嚴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性場景。

3個符號的短突發的時域信號幅度如上圖所示。可見，W-OFDM和F-OFDM比FBMC/OQAM更適合于短突發傳送和/或相當低時延的場景，這是因為FBMC/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情況下的時延。

3.2  PAPR

多載波傳輸的缺點是PAPR高，從而給發射機設計帶來挑戰，尤其對UE挑戰更大(上行)。在LTE和LTE-A中，上行對OFDM采用DFT擴展來降低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與否進行對比，假定DFT擴展長度為160且沒有導頻符號。

可以觀察到，不采用DFT時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。其他資料表明，不采用DFT的FBMC/OQAM的PRAP降低優于DFT-s-OFDM/OQAM，但還沒有好過基于OFDM的波形。

引入DFT擴展后， 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和2個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引入Tone offset使得濾波器帶寬更大，因此，所使用的數據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)用戶移動性下，FBMC/OQAM比基于OFDM的波形的增益要大，因為它對大的多普勒頻移具有更高的強壯性，因此更適于高移動性場景。

3.4 MIMO

2x2 MIMO開環空間復用條件下，采用線性MMSE接收機，在特定的MCS下，所有波形的性能差不多，沒有哪個表現得更好。但是像上面提到的，FBMC/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

關于同步性，在異步接入傳輸時，測試用戶和干擾用戶的發射功率相同、干擾用戶功率高20dB和40dB情況時，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，這是因為它們具有較小的帶外泄漏。但是，為了獲得與同步CP-OFDM相同的性能，FBMC/OQAM和f-OFDM比其他帶寬需要更小的保護帶子載波數。

4.   總體比較

5.   基本結論

根據以上對比分析，建議將CP-OFDM作為基礎波形。考慮W-OFDM和F-OFDM作為新波形的候選項。