5G单载波波形哪个更好

在5G中，对于不需要高频谱效率的特定应用，单载波波形由于其在PAPR、ACLR、调制/解调复杂度等方面有较大优势。这些特性使得单载波波形非常适合于需要良好覆盖的特定类别的设备和应用，电池寿命长，成本低。但是，使用哪种单载波波形更好呢？

1. 选择低PAPR调制的单载波QAM；

2. 单载波GMSK；

3. 单载波FDE；

4. 单载波FDM（包括zero-tail型）

5. 广义预编码OFDMA（GPO：Generalized precoded OFDMA）

单载波调制技术在GSM、CDMA2000和UMTS WCDMA等蜂窝系统中得到了广泛的应用。由于时域符号序列的存在，它们通常提供低峰均功率比（PAPR： peak-to-average power ratio），从而提高PA效率和延长电池寿命。这使得单载波波形特别适合于mMTC，其中电池功率和覆盖范围广是主要优化目标。

单载波波形在频率选择信道下可能会受到链路退化，通常需要使用均衡器在多径情况下实现高频谱效率。然而，在中、低频谱效率区域，通常只需使用简单的匹配滤波器就足够了。

低PAPR调制的单载波QAM

众所周知，高阶QAM可用于单载波波形实现更高的频谱效率。3G蜂窝网络（如UMTS、CDMA2000、1xEV-DO）中最常用的波形是采用QAM调制的单载波CDMA。尽管一些QAM调制本身给出具有0dB PAPR的恒定幅度波形，例如QPSK，但在实践中，它们通常随后是更局限于频域的时间色散发射脉冲成形滤波器，以减少带外（OOB：out of band）泄漏并满足相邻信道泄漏比（ACLR：adjacent channel leakage ratio）要求。图1说明了包括和不包括发射脉冲整形的单载波QPSK调制的功率谱密度（PSD：power spectral density）。具体来说，图1绘制了WCDMA中使用的带衰减因子a=0.22的root-raised 余弦滤波器的PSD。

但是通过发射脉冲整形，发射波形不再是恒定包络并且具有>0 dB PAPR。

可以应用若干增强来进一步降低PAPR，例如π/4–QPSK，其在偶数和奇数星座之间引入π/4的旋转，从而消除通过原点的任何路径。在UMTS中，HPSK加扰是用来消除索引为（2k，2k+1）的任何一对芯片之间通过原码的任何路径。该方法依赖于至少2的扩展因子用于扩展调制符号的事实，这导致与BPSK相同的频谱效率。如图2所示，与QPSK相比，π/4–QPSK和QPSK+HPSK方案都提高了PAPR，但它们在10-4处仍然>3dB。因此，问题是：如果不需要高频谱效率，是否有其他调制方案可以通过相对简单的发射机和接收机实现来实现更好的PAPR？

π/2-BPSK滤波器

发射机：

信道码的输出用用户特定的二进制扰码进一步扩展和扰码。特定用户的扰码使得能够从不同设备进行非正交的并且允许较少的上行传输。

接收机：

由于平滑滤波器可以等效地视为信道的一部分，因此接收机不需要任何关于发射机使用的平滑滤波器的知识。因此，可以很容易地利用传统接收机，例如Rake接收机（如图7所示）、频域均衡器，甚至是连续干扰消除（SIC：successive interference cancellation）。接收机复杂度与常规BPSK解调相同。

还要注意，如果选择FIR平滑滤波器具有3个tap或更少tap，则由于π/2旋转，相邻符号（或码片）之间没有ISI。

PAPR:

图2将滤波π/2-BPSK的PAPR与其他现有的低PAPR单载波QAM调制进行了比较。所有波形用RRC脉冲进一步8倍过采样。基准QPSK调制还包括root-raised余弦脉冲成形滤波器（用于控制OOB发射）。UMTS中使用的HPSK加扰技术可以进一步降低QPSK调制的PAPR，但代价是降低频谱效率。注意π/2–BPSK比使用HPSK的QPSK具有更低的PAPR，即使没有平滑滤波器。平滑滤波器的应用进一步将PAPR降低到1dB。具体来说，图2中使用的平滑滤波器tap设置为0.28+1D+0.28D2，仅作为示例。可以对过滤器tap进行进一步优化。

如图3所示，滤波π/2-BPSK调制可以支持与GMSK或BPSK（1bit/symbol）相同的频谱效率。

ACLR编号：

由于PAPR较低，带滤波 π/2–BPSK的传输信号可以非常积极地推送到PA饱和点，以最大限度地提高PA效率，而不会在OOB发射中引起太多的频谱再生。下表1使用简化的PA削波模型比较了各种单载波波形的ACLR。所有调制都已标准化为相同的总带宽：W=15Khz*72=1.08Mhz。注意π/2–BPSK给出了具有不同剪裁阈值的最低ACLR。

总之，过滤后的 π/2–BPSK的主要优势是：

• 比常规QAM调制（包括BPSK、OQPSK等）低得多的PAPR。
• 与其他方案相比，ACLR要低得多。
• 非常简单的tx波形合成：与常规BPSK合成相比较，无需使用DFT或IFFT操作
• 非常简单的接收机设计：重新使用常规的BPSK解调器。在发射机上应用的平滑滤波器对接收器是透明的。

·可轻松支持异步加扰/扩频操作。

恒定包络波形

高传输效率的最简单解决方案是采用恒定的包络波形。这使得几乎任何PA都可以在饱和点运行，而无需进行削波或预补偿或后补偿来解释削波。然而，这种机制的缺点是从容量的角度来看相对于正交幅度调制效率低，但是对于不需要高数据速率的应用，恒定包络波形更为理想，因为它实现了最高的PA效率。

最常用的恒包络波形包括最小频移键控（MSK：minimum-shift-keying）和高斯最小频移键控（GMSK：Gaussian minimum-shift-keying），属于连续相移频移键控（CPFSK：continuous phase frequency-shift-keying）信号。MSK被ieee802.15.4标准采用，为ZigBee提供了物理层平台。GMSK也用于GSM、蓝牙和BT-LE。

众所周知，MSK可以等效为具有正弦波脉冲成形的偏移QPSK，它提供了有效的调制和解调。注意，在调制器之前插入了一个差分编码器，以避免解调器处的错误传播。这也有助于简化调制器，因为差分编码器和差分解码器相互抵消。

GMSK是MSK的一种变体，其中高斯滤波的信息序列被应用于MSK调制器。高斯滤波器有助于提高MSK的频谱效率，但会受到符号间干扰的影响。注意，随着高斯滤波的引入，GMSK信号不再被视为偏移QPSK。GMSK的典型接收机使用GMSK脉冲的线性近似值，并将调制视为脉冲幅度调制（PAM：pulse amplitude modulation）信号的总和。

尽管历史上GMSK/MSK通常与正交多址（例如GSM或Zigbee）一起使用，但是需要注意的是，这些波形可以容易地与使用扰码/扩频码的非正交多址方案集成。

GMSK信号可以很好地（捕获的能量大于99%）通过PAM调制来逼近，PAM调制具有跨越4个调制符号的已知脉冲形状。因此，接收机实现可以大大简化，并且容易地与随后的解扰和解扩操作集成。这种原理在图6中以较高的层次进行了说明。

这种近似的重要性在于，RSMA发射机处的GMSK调制可以对RSMA接收机透明，RSMA接收机将简单地估计有效ISI信道，并且应用任何传统接收机，例如Rake接收机、FDE接收机，然后将信号解扰/解扩，如同它是QAM调制信号一样。图7给出了一个使用传统Rake接收器的示例实现。注意，接收机不需要假定任何GMSK调制器信息。也可以应用其他接收器类型，例如FDE接收器。

总之，恒定包络调制的主要优点是：

1. 0dB峰均比。

2. 简单的tx波形合成在工业上得到了广泛的应用

3. 可以使用非常简单的接收器设计。包括传统Rake接收机、FDE等。

4. 可以很容易地支持NOMA的异步和加扰/扩频操作。

单载波频域均衡

在多径衰落情况下，利用单载波QAM获得更高频谱效率的一个重要方面是采用良好的均衡算法。在许多情况下，这取决于接收机的设计以及根据实现所能提供的复杂性。尽管存在众所周知的时域算法，例如分数间隔均衡、RAKE和自适应均衡，但是通常的误解是，计算效率高的频域均衡被降级为仅OFDM波形。事实上，与此相反，单载波可以通过频域均衡来实现，并且包括循环前缀的基于块的传输方案的构造通常被正式地称为SC-FDE。这种方案如图8所示

总之，SC-FDE具有与SC-QAM相当的优点/缺点，除了在接收机处提供方便的FDE实现外，还以CP导致的频谱效率损失为代价。

如以上部分中所解释的，滤波BPSK调制中的平滑滤波器或GMSK调制中的高斯滤波器都可以等效地被视为传播信道的一部分，并且对接收机是透明的。发射信号的其余部分只是插入CP的二进制序列段，这与SC-FDE波形完全相同。SC-FDE波形等效于SC-FDM波形的特例，其中DFT大小等于IFFT大小。因此，基站侧的接收机可以简单地利用已经可用于常规SC-FDE上行链路信号的现有FDE架构。同时，在UE端，相应的波形合成比一般的SC-FDM简单得多，不需要任何DFT/IFFT操作。

单载波DFT-spread OFDM

SC-FDE上的一个变化是DFT扩频频分，其中时域QAM通过M点DFT进行转换，该DFT用于在更大的IFFT上调制不同的音调集，该IFFT将该信号转换回时域。

M点DFT预编码有助于在N点OFDM之后保留单载波特性进行波形合成，从而使PAPR低于下一节讨论的常规OFDM波形。如果功率放大器在较少的回退下运行，则降低的PAPR可以转化为更好的效率，尽管与其他波形相比，它的效果并不理想。然而，如图2所示，SC-FDM的PAPR通常仍然明显低于具有特殊选择调制的单载波QAM。因此，SC-FDM波形不是最适合于高PA效率的场景。

zero-tail DFT-spread OFDM是单载波DFT-spread OFDM的变体。主要的变化是，常规循环前缀被填充到DFT预编码的数据中的零符号所取代，如图9所示。

zero-tail插入具有以下优点：

1. zero-tail的长度可以是可变的，这取决于每个用户的信道延迟扩展和传播延迟，而不是整个网络的固定CP长度。这可能会降低某些用户的开销。

2. 由于零填充，可以抑制OOB泄漏，从而平滑相邻符号之间的转换。

3. zero-tail可以潜在地减少与RF波束切换相关的开销。

当比较DFT-spread OFDM和zero-tail时，zero-tail保护优化在链路性能上似乎有轻微的改善。然而，实际上仅仅改变CP或guard来处理所有延迟扩展是不够的，但是子载波间隔也应该被缩放以选择性地最佳地处理延迟扩展和信道。因此，对于相同的块大小和子载波间隔，如果考虑LTE中的CP开销，则zero-tail保护优化可能仅受益7%。此外，还会有额外的信令开销来支持zero-tail的额外控制环路复杂性。

图2比较了ZT DFT-spread OFDM与其他单载波波形的PAPR。注意，与插入的zero-tail相对应的IFFT后样本部分不是有用信号的一部分，将其排除在平均功率计算之外。

图10比较了ZT DFT-spread OFDM与单载波QPSK的PSD。它比单载波QPSK在-50dB以上更差，但在-50dB以下衰减更快。与上图中的SC-FDMA相比，相反的情况是正确的。

基于以上分析，可以总结出以下关于ZT DFT-spread OFDM的内容：