滤波器组多载波：面向5G及未来移动通信的新型调制
随着物联网和云时代的到来，移动视频等多媒体通信业务的速率需求呈现指数级增长趋势，在人与人、人与物、物与物之间构建起全世界互联的移动接入将成为最重要的互联网接入形式。因此，世界各国在推动第四代移动通信（4G）产业化的同时，已开始着眼于第五代无线移动通信（5G）的研究，力求使移动通信系统性能和产业规模产生新的飞跃。
据权威部门预测，到2020年，移动通信传输速率需求将达到目前在营系统的1000倍以上。但是，5G面临着一个重大问题，即优质频谱资源的短缺。根据国际电信联盟对移动通信频谱需求的估算，预计到2020年，全球范围内移动通信频谱缺口将达到1000兆赫。增加通信带宽是提高通信容量最直接的方案，但也是最昂贵的方案。因此，未来5G通信容量的提升不能仅靠频谱的扩展，还需要引入变革性的新技术，大幅提升频谱效率。
5G还面临着大规模机器型通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）、协同多点传输（Coordinated Multiple Points，CoMP）、碎片频谱等典型应用场景的挑战。mMTC允许机械或电子设备在无人干预下直接通信，其用户数量大但数据量小且有突发性，维持全网同步和正交不经济也不现实，并且巨大的同步开销还威胁网络稳定性。CoMP是移动通信系统扩大网络边缘覆盖、保证边缘用户服务质量（QoS）的重要技术，也是4G系统独有的技术。但是，CoMP具有多个信号发送和接收点，信号难以同步和正交。碎片频谱通信通过合并离散频谱以提升带宽，其关键在于带外频谱泄漏的有效抑制，否则产生的临频干扰将严重降低通信性能。
4G的物理层调制技术正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）具有实现复杂度低、能有效对抗多径衰落等优点。但是OFDM也存在严重缺陷：在每个子载波信号上使用时域矩形脉冲成形，使得其子载波频域波形呈现SINC形状，第一频域旁瓣仅仅只比主瓣低13分贝，导致了严重的带外泄漏，不利用碎片频谱通信；强烈依赖全网络范围内的用户间定时同步以保障多用户之间的正交，否则会由于正交性被破坏导致高带外频谱泄漏，引起用户间强烈相互干扰；为了消除符号间干扰的影响，需要使用循环前缀，导致系统频谱利用率下降。因此，OFDM难以胜任5G的mMTC、CoMP、碎片频谱等典型应用场景。
为了满足上述应用场景的需求，5G需要抛弃同步和正交，在高效利用频谱资源的情况下达到实时、可靠、高速的数据传输。滤波器组多载波（Filter Bank Multicarrier，FBMC）作为一种热门的非正交调制技术更符合5G及未来移动通信的需求。与OFDM相比，FBMC具有如下优势：如图1所示，每个子载波上的调制信号都通过一个良好设计的原型滤波器来塑形，具有极强的信号频域聚焦性和极低的带外频谱泄漏，可以有效地应用于碎片频谱通信中，提升通信系统的频谱利用率；用户之间不需要保证严格的全网同步和正交，可以较好地支持异步传输，从而避免同步过程中所需的传输等待和信令开销，更适合mMTC和CoMP等应用场景；能针对不同信道特性设计原型滤波器，更好地满足应用场景设计需求以对抗符号间干扰和载波间干扰，无需循环前缀和保护频带的使用，进一步提升了频谱利用率。表1对比了OFDM与FBMC的更多特性。
在国家863 计划项目课题“面向5G移动通信的新型编译码与调制解调技术研究”（课题编号：2015AA01A710）的支持下，华中科技大学江涛教授带领课题组着重针对新型调制技术FBMC展开理论和技术攻关，旨在解决FBMC的信号拖尾长、峰均比高以及固有虚部干扰导致导频设计与多输入输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）结合难等关键问题，形成完备的FBMC通信新理论与技术，研制面向5G典型场景的FBMC仿真与试验验证平台，大幅提升频谱效率。项目参与单位有上海交通大学、西南交通大学、华为技术有限公司、国家无线电监测中心、中国联合网络通信有限公司、爱立信（中国）通信有限公司6家单位。
拖尾消除
通常而言，在连续数据传输场景中，由于输入符号足够长，由原型滤波器带来的FBMC信号拖尾占信号总长度比例几乎可以忽略，并不会造成频谱利用率的明显降低。但是，在mMTC等典型场景中小数据包通信较为常见，FBMC的信号拖尾相对于小数据包是极大的负担，会严重降低整个通信系统的频谱利用率。针对上述问题，课题组提出了一种利用虚拟符号消除FBMC信号拖尾的方法，通过虚拟调制器将其添加在每个数据包的前后，形成与FBMC信号拖尾相反的抵消信号。该方法不占用任何有用数据符号，不改变信号带外泄漏特性，也不会引入额外符号间干扰与载波间干扰，实现了FBMC信号的近零拖尾。
峰均比抑制
作为一种多载波调制技术，FBMC信号也面临着高峰均比问题。由于原型滤波器的卷积作用，FBMC信号相邻数据块之间存在相互混叠。因此，经典OFDM信号峰均比抑制方法不能直接应用于FBMC信号中。
课题组通过深入研究FBMC信号的混叠特性及幅值分布规律，解决了多数据块峰均比联合优化问题，构造了反映信号峰值功率带来通信损耗的惩罚函数，通过动态规划将复杂优化问题降解为若干个相互关联的子问题，以极低复杂度求得了最优解，并实现了比OFDM更低的信号峰均比。
导频设计与信道估计
信道估计是多载波通信系统的核心问题之一。FBMC作为一种非完全正交的多载波调制技术，仅满足实数域上的正交性条件，这导致系统接收端解调信号时存在一定的虚部干扰。在进行信道估计时，由于信道相位未知和不可控，虚部干扰会带来严重问题。经典块状导频的信道估计方法通过设置零保护间隔来隔离数据对导频符号的虚部干扰，牺牲了较大的频谱效率。此外，对系统相邻子载波信道相关性的忽视导致了传统信道估计方法的低性能，从而使得数据传输率大大降低。
为满足未来5G通信的高频谱效率、高传输效率需求，课题组从降低信道估计导频开销、提升信道估计性能两个方面，深入研究了FBMC的导频设计及信道估计方法。针对传统信道估计方法的导频开销大问题，提出在发送端导频序列的零保护间隔位置上插入额外数据符号和补偿符号，利用数据符号和补偿符号的线性关系，在接收端帮助恢复额外发送的数据符号。与传统三列导频相比，课题组所提导频结构在保证信道估计性能不变的前提下，降低了1/3的导频开销。针对传统方法的信道估计性能差问题，推导了系统接收端不同子载波解调信号上噪声的相关函数，基于最大似然准则提出了一种频域平均算法，用相邻几个子载波信道频域响应的加权结果作为当前子载波的信道频域响应。同时，采用基因算法获得了近似最优的导频序列，在信道估计性能上获得了大幅提升。
MIMO-FBMC分集传输
MIMO技术能够在不增加带宽的条件下成倍地提升信息传输速率，极大提升频谱效率，其与FBMC的结合是未来移动通信发展的必然趋势。但是，由于FBMC存在的固有虚部干扰问题，MIMO分集技术无法在FBMC中应用，使得FBMC无法获得MIMO技术带来的阵列增益和分集增益。针对这一问题，课题组提出了MIMO-FBMC分集技术方案。通过分析FBMC信号固有虚部干扰的形式，发现虚部干扰受到周围数据的影响且具有随机性，并提出反演对称结构对MIMO-FBMC发送数据进行合理的分组编码，使得加上虚部干扰后形成的复信号能够满足正交形式，从而在接收端成功译码，获取分集增益。此外，课题组还采取了空时编码和空频编码两种设计方案，以支持不同通信场景需求。课题组所提方案突破了MIMO分集技术无法应用于FBMC的限制，可以实现频率选择性信道下的满分集增益。
仿真与试验验证平台
课题组搭建了面向5G典型应用场景的FBMC仿真与试验验证平台，原型系统配置3个基站与4个用户，基站配置4根天线，用户配置1根天线。平台可扩展性极强且参数配置灵活，基于 USRP 与PXIe设备。该平台的硬件架构如图2所示，实际测试场景和基站布置如图3所示。
课题组利用该平台验证了FBMC相比OFDM所具备的技术优势，其中包括：在没有严格时间同步的情况下，进行可靠通信的能力；不需要循环前缀，对抗信道衰落的能力；在频谱保护间隔很小的情况下，非同步 FBMC 用户之间共存的能力。同时，课题组也针对FBMC信号进行了实际信道的参数测试，根据测试结果完成了FBMC帧结构的设计，并完成了定时同步及信道估计等关键算法的验证。
此外，课题组还验证了FBMC在CoMP应用场景中的可行性。在验证平台中，利用联合预编码技术，在各基站人为引入不同的传输延时，系统仍能为用户提供稳定的通信服务。验证结果表明，FBMC能够满足5G用户在CoMP等应用场景中的通信需求。
课题组已发表相关学术论文230篇，含期刊论文150篇；申请发明专利50余项，提交国际标准提案多项。
课题组通过多年来对5G新型调制技术FBMC的理论和技术攻关，提出了拖尾消除、峰均比抑制、导频设计与信号估计、MIMO-FBMC分集传输等一系列可行新方案，形成了完备的FBMC通信体系，搭建了面向5G典型应用场景的FBMC仿真与试验验证平台，为探索5G 新型调制技术和大幅提升频谱效率迈出了关键的一步。
致谢：感谢国家863计划项目课题“面向5G移动通信的新型编译码与调制解调技术研究”（课题编号：2015AA01A710）对本研究工作的资助。
陈达：华中科技大学电子信息与通信学院讲师、硕士生导师；
宋国超、李俊：华中科技大学博士生；
江涛：华中科技大学电子信息与通信学院教授、博士生导师