（黑龙江大学，黑龙江 哈尔滨）
摘要：本文首先对5G的研究背景和现状做了简要地分析，然后大致介绍了正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、离散傅里叶变换扩展OFDM（DFT-S-OFDM）以及零尾DFT-S-OFDM（ZT-DFT-S-OFDM）的原理，指出了上述技术的优缺点并对未来的发展趋势作了粗略的展望。
关键词：5G；OFDM；展望
1.引言
近年来，随着现代科技社会的不断发展，各类新的业务和应用场景不断涌现，人们对于终端网络的要求越来越高，第四代无线通信系统似乎已经越来越难满足当代社会的需求。于是，第五代无线通信技术（5G）被提上了日程，国际电联无线电通信部门在2015年的无线电通信会上通过了三项推进5G研究的决议，并将5G正式命名为“IMT-2020”，各个国家和地区也都相继投入到5G的研究当中并有望在2020年之前正式商用5G网络。具体来说，5G技术的提出主要是为了实现以下几个目的：1）千倍的容量提升；2）千亿以上的连接支持；3）10GB/S的传输速度：4）1毫秒以下的延迟。
2.OFDM与DFT-S-OFDM
作为第四代无线通信的核心技术，OFDM是一种多载波的调制技术，其基本原理是将要发送的高速比特流信息进行串并变换转换为多路速率较低的并行比流特信息，然后分别对它们进行正交调制，最后叠加在一起发送到信道中去。在此过程中，将高速数据转换成低速数据是为了减小信号带宽，使得信号带宽小于信道带宽，形成平坦衰落信道，进而消除码间串扰；对它们进行正交调制是为了使各个子信道相互正交，减少信道间干扰，同时也提高了频谱的利用率。由于OFDM技术中的正交调制和解调是利用离散傅里叶变换实现的，分别用到了IFFT和FFT两个快速算法模块，因此它的复杂度相对来说是比较低的。另外，OFDM还可以通过调节上、下链路子载波的数目很好地应用到无线业务之中。尽管OFDM拥有众多优点，但是其缺点也是不可忽视的。由于无线信道存在时变特性，信号在传输过程中会产生频率偏移，破坏了子信道之间的正交性，从而会导致子信道间干扰；OFDM还存在较高的峰均比（PAPR），因为OFDM系统的输出是多个子信号的叠加，当这些子信号的相位一致时，叠加信号的瞬时功率会远远高于信号的平均功率，造成了较高的峰值平均功率比，这就意味对发射机功率放大器的要求更高；此外，较高的带外辐射功率也是OFDM的一大缺点。
DFT-S-OFDM技术是为了消除较高的PAPR而提出的一种调制复用技术，应用在LTE上行链路中模拟单载波传输，下行链路则继续采用OFDM技术。它是在OFDM的基础上进行修改的，其原理是在子载波映射之前添加DFT预编码模块，进行DFT预编码操作，将子载波的时域信号转换到频域进行扩展，这样一来就会将单个载波上的能量扩展到所有子载波上，从而降低PAPR。由于只添加了DFT模块，所以DFT-S-OFDM技术的复杂度也较低。为了克服子信道内符号间干扰（ISI）和子信道间干扰（ICI），DFT-S-OFDM技术仍然沿用了循环前缀（CP），即将符号尾部一部分复制放到前面，但这却降低了频谱的使用效率，在频段匮乏的5G时代，这显然是不太合适的。此外，CP的插入导致在以不同设置操作的系统之间的不良共存。在OFDM / DFT-S-OFDM中，较大的时间扩散需要较长的CP，但IFFT输出的持续时间需要保持相同以维持系统的数字学，这导致不同的符号持续时间以及每帧符号的数量不同。采用不同CP持续时间的小区即使在帧级对齐时也会互相产生持久的异步干扰。
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3.ZT-DFT-S-OFDM
早在2013年，Gilberto Berardinelli等人就提出了ZT-DFT-S-OFDM波形技术，旨在解决OFDM/DFT-S-OFDM中CP带来的不必要的系统开销和系统间的不良共存等问题。ZT-DFT-S-OFDM是在DFT-S-OFDM的基础上进行变化的，所以波形的大致生成步骤也很相似。首先，在经过正交调制后的子信号数据符号中加入尾零序列和头零序列，然后经过DFT模块将矢量信号转换为频域，并进行子载波映射和IFFT运算产生时域信号，最后通过串并变换将信号叠加发送。ZT-DFT-S-OFDM的原理是在其尾部产生具有极低功率的信号。这些尾部的长度都不是固定的的，可以根据系统估计的时延扩展的变化来设置，由于尾部信号是经过IFFT运算获得的，不像CP那样通过添加获取的，它是输出的一部分，所以在不同时间扩散的网络中也可以保证符号的持续时间相同，从而避免了不良共存的问题，同时也因为它的尾部可调性和几乎为零的功率，而避免了OFDM/DFT-S-OFDM技术中使用的硬编码CP的低效率问题。头零序列的作用是避免由于IFFT操作的循环性而在符号的最后部分中的数据部分产生额外功率。另外，数据符号加零的的方式使得波形在频域上更集中，减少了带外泄露（OOB）。
在多业务、多场景的5G中，如果不使用干扰抑制技术，相邻小区间必然会相互干扰，从而影响到用户的体验。基于干扰抑制合并（IRC）或连续干扰消除（SIC）接收机的小区间干扰协调（ICIC）算法和高级基带处理的吞吐量优势已经在工程社区内建立。为了有效，上述技术要求不同小区的时间符号是时间对齐的。传统的OFDM调制在小区使用不同的CP持续时间的情况下引入了小区之间的系统未对准。相反，在相邻小区之间使用相同的CP可以实现同步传输，但是由于必须根据小区中的最坏情况来选择，因此效率是十分低，而ZT-DFT-S-OFDM刚好解决了这个问题。对于5G网络来说，网络的时延也是必须要解决的关键性问题之一，LTE和LTE-A中用到的定时提前技术需要向用户设备发送定时提前命令，使得所连接的用户设备的所有信号在接收窗口内对齐，这就增加了网络时延。然而，ZT-S-OFDM减轻了定时提前技术使用的必要性，降低了时延。
4.总结与展望
本文对第四代无线通信技术中的OFDM和DFT-S-OFDM进行简单介绍，分析了这两种技术的优点与缺点。虽然它们有众多不足点，但却仍然是5G的研究发展的一个大方向，ZT-DFT-S-OFDM技术解决了前两者存在的众多问题，为各种5G方案提供了思路。在未来的5G系统中，由于硬件设备的不完善，低的PAPR仍然是主流波形必备的条件，由于处理时间被认为是往返时间预算的瓶颈，因此争取极短的传输对于使具有挑战性的5G延迟目标成为现实至关重要。另外，从实际出发，低功耗也必然是研究者需要考虑的一个环节。
参考文献
[1]陶岗.第四代移动通信系统架构及关键技术[J].信息与电脑(理论版),2018(21):151-152.
[2]许海云. LTE-A系统上行传输链路设计与实现[D].东南大学,2015.
[3]G.Berardinelli et al., “On the Potential of OFDM Enhancements as 5G Waveforms,”Proc. IEEE VVTC-Spring, May 2014,pp.1–5
作者简介：黄刚（1994.08—），男，河南省信阳人，哈尔滨市南岗区黑龙江大学信息与通信工程2018级 研究生 研究方向：5G。
论文作者:黄刚 何宏昌
论文发表刊物:《知识-力量》2019年3月下
论文发表时间:2019/1/22
标签：信道论文; 信号论文; 正交论文; 技术论文; 载波论文; 干扰论文; 符号论文; 《知识-力量》2019年3月下论文;