2016/3舉辦的RAN#71會議上確定了5G新波形的以OFDM為基礎的設計基礎。從RAN1#84b開始進行空口相關的討論，波形方面則包括設計原則和要求、候選波形技術優劣等內容。
從RAN1#84會議提案入手，是學習和了解R15中5G空口中新波形相關技術的必要一步。
本文借助會議報告，對其中波形有關的提案進行了一些翻譯和整理工作，供大家學習。文章內容有關的版權歸原提案單位。
1. RAN#71 (2016/3)提出5G新波形設計基礎
1.1. RP-160671：New SID Proposal: Study on [5G, Next Generation, or other names][T1] New Radio Access Technology
RAN#71全會上，在關于SI(study item)的目標要求中，明確了針對eMBB、mMTC和URLLC三大場景進行5G無線接入技術的設計。
對于新的接入技術，物理層信號結構設計的基礎是：
波形基于OFDM，也有可能(potential)支持非正交波形和多址接入。對于其它波形，如果其它一些能夠證明有增益的波形還有待研究(FFS, for future study)。同時需要考慮基本的幀結構和信道編碼算法。
2. RAN1#84bis(2016/4)中的5G新空口設計原則摘錄
2.1 R1-162151：Considerations on 5G Waveform，Huawei，HiSilicon
5G系統的性能將進一步提升，包括峰值速率、峰值頻譜效率、UE體驗速率、移動性、時延、連接密度、UE和網絡能效等方面。5G系統需要采用靈活和適應性強的新空口來對這些多樣化的需求提供有效的支持，而其核心則是靈活的波形。LTE系統中的OFDM波形具有頻譜效率高、易于實現、有效抵抗多徑衰落等特性，因此5G系統仍然考慮基于OFDM來進行波形設計。
但是，LTE系統具有以下缺點：
(1) 子載波間隔和符號長度固定。為了避免載波間干擾(ICI)，OFDM的子載波間隔在整個品大范圍內不能改變。這種“以不變應萬變”的波形設計策略不能同時支持多種移動性場景。此外，給定時間內只支持一種循環前綴(CP)長度，也使得LTE無法同時對不同的信道情況提供支持。
(2) 頻譜旁瓣大。OFDM not very-well localized in frequency，因此導致頻譜邊帶滾降慢，從而產生以下缺點：
帶寬利用率不高，不管是連續頻譜還是離散頻譜都一樣。例如，LTE中，除了頻譜模板(mask)之外，還預留了10%帶寬作為保護帶。
LTE中需要嚴格同步，它通過TA信令來實現。來自不同UE尤其是相鄰UE的OFDM信號間不同步的時長超過CP長度后，OFDM的頻譜旁瓣就很高，從而產生載波間干擾(ICI)和符號間干擾(ISI)。因此，OFDM波形不支持異步通信。此外，LTE OFDM的大規模同步通信中TA信令開銷非常之大(explosive amount)。
由于具有以上的缺點，因此LTE OFDM用于5G新空口的話則不夠靈活和高效，因此，5G需要設計新的波形，其設計原則如下：
(1) 靈活性。
5G波形應當足夠靈活以支持話務類別不同的多種場景，如eMBB、mMTC和URLLC。靈活性方面的設計體現在：
a. 靈活支持參數集(numerology)。
靈活參數集是多種業務和多種場景的需求。在不同的子載波間隔或/和CP長度之間采用時分轉換顯然不能滿足低時延的要求，也難以實現資源在不同業務之間的動態共享。此外，采用TDM也會影響業務的前向兼容性。
因此，波形應該足夠靈活，以滿足在連續頻段上采用頻域復用來部署現有和未來業務的要求。尤其重要的是，波形應當能夠有效支持不同的子載波間隔、不同的CP長度、不同的TTI長度、不同的系統帶寬等。例如，不同的信道模型和不同的傳輸模式(單站或多站)可能會引入不同的時延擴展，因此需要不同的CP長度。不同的UE速度(最高500Km/h)需要可變的子載波間隔以使多普勒頻移的影響最小化。此外，為了滿足URLLC的低時延的要求，應當支持較短的TTI，從而需要較大的子載波間隔。
b. 頻率選擇性(localization，局部化?)：它有利于采用較高的頻譜效率來提供可空口的靈活性。
采用多個子帶的結合(concatenation)來支持靈活和可擴展的帶寬。
與其它系統的有效共存以及離散頻段的有效利用。5G要實現較高的頻譜效率，這也需要頻率開銷比當前LTE OFDM低的波形，尤其在6GHz以下頻譜缺乏的情況下。
有效的異步通信，如mMTC場景和無需TA的上行eMBB場景，其波形都需要較小的UE間干擾泄漏，這需要由較好的頻率選擇性(局部化？)來提供。
c. 時間選擇性(localization，局部化?)：這是采用極短TTI進行低時延通信的要求，如URLLC場景。尤其是在TTI較短的情況下，波形的時間選擇性(？localization)也會嚴重影響時間開銷，進而影響到頻譜效率。
(2) 頻譜效率。
5G的峰值頻譜效率為下行30bps/Hz，上行15bps/Hz。基于以下設計原則可用于滿足此需求：
a. MIMO的友好性。要滿足5G的較高的頻譜效率，只有采用對常規MIMO和大規模MIMO都能夠支持的波形。因此，新波形在和MIMO的整合方面的復雜度應該較低才好，這樣，多徑信道上傳輸時，波形的符號間的自干擾(self-ISI)和載波間自干擾(self-ICI)才可以忽略。
b. 支持高階調制。高階調制如64/256QAM能夠提供較高的頻譜效率，但它對收發信機的EVM要求較高。因此，新的波形在支持高階調制方面應當最優才行。
(3) 下行、上行和side link的統一的波形設計。
統一的波形設計有利于下行、上行、接入共存、D2D以及回傳通信等方面。雖然上下行設計原則不同，如上行會受PAPR和UE的功放的非線性的限制，但是上行和下行波形仍然希望盡可能地相同，以便獲得更好的干擾消除相關的性能。
對于不同鏈路間的共存，統一波形的好處在于：
a. LTE的干擾管理和話務自適應(eIMTA)中，采用動態時分復用(TDD)，可以根據DL/UL話務比例來動態對上下行子幀進行動態分配。兼容的設計有利于采用動態TDD來實現鏈路間的干擾(DL和UL間)消除，這種干擾采用傳統的先進接收機是難以處理的。
b. 采用相同波形的鏈路(接入鏈路或者回傳鏈路)易于采用與LTE的MU-MIMO類似的空間復用技術，從而提高頻譜效率。
c. 需要考慮D2D和蜂窩鏈路中的side link的聯合設計，如在單頻網(SFN)對side和蜂窩鏈路傳送進行覆蓋增強時。
PAPR降低可以在功放效率和功耗是主要考慮因素時才考慮采用。
(4) 實現復雜度。
不光要考慮波形本身，還需要考慮其實現難度，不同的實現方法對規范的影響也不一樣。尤其是，時域和頻域都可用于產生波形，但其復雜度有所區別。再有，在接收機側，波形在信號檢測和信道估計/均衡方面的復雜性應當合理才行。
2.2 R1-162198：Waveform Requirements
正文請參見原提案，僅將Proposal拿過來學習參考。
(1) Proposal1：對于eMBB(包括毫米波)，波形設計應當允許：
- 下行：頻譜效率高，易于與MIMO整合。
- 上行：頻譜效率高，小小區部署時易于與MIMO整合；宏小區部署時，對于鏈路預算受限的用戶，支持低的PAPR波形。
(2) Proposal2：對于mMTC，波形設計應當允許：
- 上行：功放效率高，小數據突發的信令/接入開銷低，頻譜效率高不是主要需求。
- 下行：與eMBB類似，但是需要根據帶寬來擴展。
(3) Proposal3：對于URLLC，波形設計應當允許：
- 上行：處理時延低，對于鏈路預算受限的用戶，支持低的PAPR波形。
- 下行：處理時延低。
(4) Proposal4：對于D2D(sidelink)場景，波形設計應當允許：
- 一致的(symmertric)波形。
- 頻譜效率高。
(5) Proposal5：對于IAB(綜合接入和回傳)場景，波形設計應當允許：
- 與eMBB上行需求相類似。
3. RAN1#84bis(2016/4)中的5G新空口技術分析摘錄
3.1 R1-161172：General design principles for 5G new radio interface: Key functionalities, Samsung
LTE中，采用OFDM波形，下行采用OFDMA多址接入技術，上行采用SC-FDMA。LTE商用部署表明，采用OFDM，收發信機的復雜度合理，且能夠滿足頻譜效率和覆蓋的需求。基于商用經驗以及分析比較，我們認為OFDM仍然是5G新空口的一個候選項。如果選擇OFDM作為基準波形，則OFDMA自然就是下行多址技術的選項了。上行多址技術則需要考慮OFDMA和SC-FDMA。SC-FDMA對覆蓋有好處，OFMDA則利于頻譜效率。如果對所有場景(下行、上行、sidelink、無線回傳/中繼等)都考慮采用公共的波形，則OFDMA優于SC-FDMA。如果考慮不同的設計，則SC-FDMA可用于用來進行覆蓋增強。
3.2 R1-161222：Design Principles of NR inRAN1，ZTE
對于波形，LTE中廣泛采用了CP-OFDM，因此NR波形應當具有與CP-OFDM良好地共存的特性。也就是說，NR的波形只需要對CP-OFDM針對特定場景作一些改變就可以了，比如，需求低的情況下，降低帶外雜散降低和頻域和時域同步要求，并易于后退(fall back)到CP-OFDM就可以了。更好的一個選項是FB-OFDM(filter-bank OFDM)，它對CP-OFDM子載波進行濾波，因此可以使用有效的多相(polyphase)濾波器設計。CP-OFDM和FB-OFDM的唯一的區別就是多相濾波器，由于對每個子載波的帶外泄漏進行濾波，因此該波形的帶外泄漏較低，時/頻域同步的強壯性較好。如果多相濾波器定義為單抽頭(one-tap)，則FB-OFDM可以很好地后退到CP-OFDM。
3.3 R1-162225：Discussion on New Waveform for new radio interface，ZTE
為了滿足多種業務和場景的需求，5G波形應當采用統一的架構，并支持不同的子帶寬配置(如子載波、子幀長度、子帶大小等)，波形設計中應當考慮降低對相鄰子帶的能量泄漏。
LTE中所采用的CP-OFDM及其變形(W-OFDM，即對時域OFDM符號加窗-windowing)可能不適合下一代通信，因為CP-OFDM存在帶外泄漏，且CP開銷增加。即使CP開銷增加，其帶外能量也不能迅速降低且足夠減少，這是的子帶間的保護帶較大，因此頻譜效率較低。
一些候選波形如下：
- Filter Bank MultiCarrier (FBMC)
- Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM)
- Universal Frequency MultiCarrier (UFMC)
- Filtered-OFDM (F-OFDM)
- Filter Bank-OFDM (FB-OFDM)
根據頻域的濾波粒度的不同，它們可以分為：
- 類別A：子載波級脈沖整形法。其特點是，頻域濾波粒度為子載波，時域處理方法為脈沖整形，波形技術包括FBMC、GFDM、FB-OFDM。
- 類別B：子帶級IFR濾波法。其特點是，頻域濾波粒度為子帶，時域處理方法為IFR濾波，波形技術包括UFMC、F-OFDM。
對于類別A，子帶信號的發送可以在IFFT之后采用多相濾波過程來實現。對于類別B，基帶信號的發送可以在IFFT和CP添加之后采用IFR濾波過程來實現。通常，多相濾波過程的復雜度低于IFR濾波過程。因此，應該首選類別A的波形。
比較不同波形的功率譜密度可知，不同波形技術的CFR(峰值因子消減)性能是不同的。FBMC、GFDM、F-OFDM和FB-OFDM在工作帶寬之外都比OFDM和W-OFDM衰減要快。因此相比OFDM和W-OFDM，它們需要較小的保護帶來對鄰近頻段進行隔離，從而提高了頻譜效率。
另外，相比IFR濾波法，脈沖整形法可以保證較低的帶外泄漏，尤其對于鄰近信道而言，從而需要減少的保護子載波來保證子帶間的良好隔離，從這個意義上來講，類別A也是首選。
3.4 R1-162379/162384， Intel
R1-162379Overview of new radio access technology requirements and designs
R1-162384： Considerations on waveform selection for new radio interface
LTE中采用基于循環校驗(CP)的OFDM支持移動寬帶業務，它采用單抽頭(single-tap)均衡器來處理多徑衰落，且易于與高階MIMO算法相適應。在新的RAT中，mMIMO和波束賦形是一項關鍵技術，因此CP-OFDM可以在eMBB場景下復用。對于下行mMTC場景，超低成本的連接設備需要采用簡單的接收機，發送波束賦形以及空間復用可以增強覆蓋，為大量用戶提供服務。因此，OFDM也適用于下行mMTC。類似地，OFDM也適用于URLLC場景，因為簡單的收發機結構大大降低了處理時間。新的RAT中，上下行還期望采用公共的波形，這樣的話，side-link通信中就不再需要采用額外的接收機，且易于抵消side-link和/或動態TDD干擾。進一步來講，在網絡中繼或者UE中繼條件下，公共的UL和DL波形自然支持回傳和接入鏈路的聚合。
如果需要支持異步多址接入，則只需要考慮支持相關URLLC應用的設備，對其引入時/頻域偏移處理方面性能強壯的新波形就可以了。對于UL mMTC場景，由于設備移動性不高，且可能具有較長的符號和CP長度，因此不需要頻繁的上行同步過程，因此同步多址接入較為現實。然而，一些上行URLLC場景可能需要異步免調度多址接入。假定URLLC應用在收/發處理時延要求較嚴格，則對OFDM做一些修改如filtered-OFDM就可能更適合于支持異步多址接入了。
對于大于40GHz的頻段，由于模數轉換器(ADC)所需的功耗漸大，且功放效率低，因此需要能效比稿的波形。相對于單純的單載波發送技術，基于DFT-spread OFDM的波形在PAPR和頻譜效率以及FDM&UL功率譜密度等方面的均衡性較好，因此可作為備選波形。另外，采用于信道時延擴展自適應的保護間隔，而不是采用固定CP長度，更利于降低開銷。這些概念與波束賦形的相關性更大，因為波束賦形后的信道的有效時延擴展既受傳播環境的影響，也受發射/接收波束賦形架構的影響。
提案R1-162384：Considerations on waveform selection for new radio interface除了對R1-162379中一些觀點進行深入說明之外，還對多種非正交多載波波形以及>40GHz的波形選項進行了分析和說明，建議進一步閱讀和學習。
3.5 R1-162547/ R1-162548，Spreadtrum
R1-162547：Some Considerations on Enabling Radio Technologies for 5G NR
R1-162548： “Considerations on Waveform Design for New RAT”
mMTC需要降低信令開銷，支持同步上行傳送。由于OFDM對時間/頻率偏移比較敏感，因此單個MTC UE的稀疏傳輸所需的載波形也需要對時間/頻率偏移比較強壯。
F-OFDM和FBMC等新波形具有正交性且帶外干擾較低，因此比OFDM更適合于mMTC的異步上行傳送。
根據帶內正交性，波形可以分為4大類，即：
complex正交：OFDM、SC-OFDM和UFMC。時域符號自包含，其中的子載波相互正交。
complex偽正交：F-OFDM。子帶濾波器通常大于CP長度，因此引入了些微帶內干擾。
Real正交：FBMC-OQAM和GFDM-OQAM。采用偏移(offset modulation)調制。
Non正交：FBMC-QAM和GFDM-QAM以及加窗OFDM。子載波間具有不可忽略的干擾，需要考慮消除。
帶內干擾主要是由波形的非正交性引起的，在對解調性能進行評估時，它可以被當作是額外的噪聲。帶內干擾不可忽略時，接受機就需要進行干擾消除，如采用迭代方法等，由于干擾模式只有在多次解調后才能夠被評估出來。干擾消除與信道古跡、均衡和信道解碼等機制一起作用時，處理復雜度將指數增長。尤其當正交波形于非正交接入技術合并時，處理復雜度會相當高。對于正交或者偽正交波形，帶內干擾可以忽略，因此不需要考慮這些問題。因此，建議優先研究正交波形。
此外，解調后的SIR應當作為一個鏈路級的度量，來對波性的帶外干擾抑制性能進行評估。對于采用子帶濾波的波形來說，濾波器長度也需要根據解調性能進行優化。
3.6 R1-162537：Views on NR waveforms，Mitsubishi
難以采用一種RAT來涵蓋所有NR的需求，因為不同用戶場景和不同頻段下的波形和參數需求(如子載波間隔和CP長度等)是不同的。因此，需要尋找一種足夠靈活的波形方案，能夠滿足前向和后向兼容性的要求，值此在更高和更寬帶寬上進行高速率傳送，且對不同參數集共存時產生的干擾抵抗具有足夠的強壯性。
傳統的基于OFDM的波形，如OFDM/SC-FDMA具有靈活、與MIMO自然融合、頻域處理復雜度較低的特性，因此非常吸引人。近來，基于OFDM更改的波形引起注意，是因為它們在一些特定場景下具有好處。
OFDM具有非常靈活的頻域結構以及較好的MIMO整合特性，但是PAPR也較高。采用DFT預編碼，SC-FDM波形可以獲得與單載波相當的包絡(envelope)特性。SC-FDM波形具備OFDM的主要優點，但其采用強壯的信道編碼也會帶來一些性能損失DFT預編碼顯著降低了OFDM的包絡變化(envelope variations)。對于QPSK，OFDM的立方量度(cubicmetric)為4.7dB，而SC-FDM則降到了1.96dB。CCD曲線表明INP為10^(-3)時，CCDF上降低超過2.5dB。這些低的波羅變化或明SC-FDM適于能量消耗較低、路徑損耗高或者覆蓋受限的場景。尤其在高頻和大的連續帶寬的情況下。
下圖為5MHz帶寬下、單用戶、5RB分配條件下的SC-FDM和OFDM的瞬時名義功率。
正是由于這些特性，SC-FDM和OFDM才是NR的候選波形。由于NR頻段可能在100GHz以上，因此波形設計也取決于頻率范圍。高頻所需帶寬較大，天線增益高也會形成更窄的波束，還需要應對范圍減小(reduced range)、高相位噪聲以及多普勒頻移高等方面的挑戰，這都需要采用合適的波形和參數設計(如能量效率高、依靠頻率的子載波間隔和/或導頻密度)來解決。
建議根據頻率范圍來來進行波形設計。
對于低的SHF頻段(如厘米波、3.5~10GHz)，OFDM能夠地抗多徑衰落且具有高的復用增益，因此是一個很好的候選波形。在EHF頻段(>30GHz的毫米波)，SC-FDM波形適于解決較高路徑衰耗下的覆蓋受限問題。在高SHF頻段的中間部分，OFDM和SC-FDM都可以作為候選，在DL和UL上應當根據場景進行選擇。遠離基站的離散用戶可以使用能效高的基于SC-FDM的波形來擴展覆蓋，而基站近處的用戶則可以受益于基于OFDM的波形的靈活性。
直角整形(Rectangular-shaped)的OFDM類波形(非濾波)在用戶間需要嚴格的頻率和時間同步，以便維持正交性，并具有相當低的衰變率(decay rate)(高的帶外(OOB)輻射功率)。
雖然LTE/LTE-A中在CP插入后沒有定義濾波機制，但實際實現中，通常采用濾波來將OOB泄漏抑制到標準頻譜模板(mask)內。除了考慮復雜性和在低頻段與LTE/LTE-A的OFDM共存寨外，還需要考慮這些增強手段的有效性。
NR設計中，應當對SC-FDM/OFDM增強以降低OOB泄漏，且對波形影響最小化。
- 擴展CP OFDM：通過對原始OFDM信號添加帶內干擾使得連續(consecutive)的OFDM符號不連續，從而降低OOB泄漏。同時， CP大小以及接收機復雜度也增加了(需要引入迭代交換機來抑制帶內干擾)。
- Zero-tailSC-FDMA： 插入可變長度的0序列來替代CP(根據每個用戶的新到時延擴展)。這使得某些場景下的頻譜效率得到增強，且OOB泄漏較低。去除CP要求可變的zerotail長度(需要采用信令表示)。單載波接收機側的DFE也可以采用空CP來實現。
- 在SC-FDMA中插入靜態序列也可以降低OOB泄漏。在DFT前插入靜態序列，想比OFDM，可以在ACLR=-45dBc時獲得約3dB的回退增益。不同UE采用不同的靜態序列可以實現靜態序列的復用，使得多種參考信號的容量得到增強。
對于基于OFDM的傳統載波，還可以采用濾波器在子載波或者載波組級別進行一些修改。
- FBMC(Filter bank Multicarrier)：在過采樣域進行濾波，增強大的傳播時延下的性能，并獲得快速的旁瓣衰減(OOB低)。通常，基于OQAM，對MIMO的支持性比OFDM要差。
- GFDM(Generalized Frequency Division Multiplexing)：與FBMC非常類似，采用更短的CP，尤其適于非連續頻段。接收機需要處理內在的載波間干擾。
- UFMC(UniversalFiltered Multicarrier)：在子載波組的基礎上執行帶通濾波，有效降低了OOB泄漏，增強了抵抗頻率同步較差時的載波干擾。可用于采用不同參數集的用戶。實現復雜度相當高。
3.7 R1-163867， CMCC
多種候選波形，如OFDM、f-OFDM、UFMC、FBMC、GFDM以及OTFS等。
3.8 R1-162882，5G New Radio physical layer requirements and key technology implications，Nokia
多載波OFDM波形適于40GHz以下的eMBB場景，但未必適合于mMTC業務和40GHz的eMBB場景。這些場景應當考慮單載波波形。
3.9 R1-162929, Overview of OTFS Waveform for Next Generation RAT (提議者：Cohere Technologies, AT&T, CMCC, Deutsche Telekom, Telefonica, Telstra)
提出一種新的2D調制技術，稱為OTFS(正交時頻&空間)。詳細描述請參見原提案。
