一种适合6G统一波形架构的波形方案GFB-OFDM

摘要：提出了一种适合6G的统一波形架构的波形方案广义滤波器组-正交频分复用波形（GFB-OFDM, Generalized Filter Bank Orthogonal Frequency Division Multiplexing）。通过多个功能模块的组合，模块化

辛雨1,2，华健1,2，暴桐1,2，郁光辉1,2

（1.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东深圳 518055；

2.中兴通讯股份有限公司，广东深圳 518057）

【摘要】提出了一种适合6G的统一波形架构的波形方案广义滤波器组-正交频分复用波形（GFB-OFDM, Generalized Filter Bank Orthogonal Frequency Division Multiplexing）。通过多个功能模块的组合，模块化设计了GFB-OFDM发射端的处理过程，也详细介绍了GFB-OFDM通过这些模块进行适配的参数配置，可以变换为多种现有的主要候选波形，包括：循环前缀正交频分复用（CP-OFDM, Cyclic Prefix OFDM）、滤波器组正交频分复用（FB-OFDM, Filter Bank OFDM）、滤波正交频分复用（F-OFDM, Filtered-OFDM）、加窗正交频分复用（W-OFDM, Windowed-OFDM）、离散傅里叶变换扩频正交频分复用（DFT-s-OFDM, Discrete Fourier Transform Spread- OFDM）、正交时频空调制（OTFS, Orthogonal Time Frequency Space）等，并且可以同时支持不同子带适配不同波形的应用场景。

【关键词】6G；GFB-OFDM；波形；统一波形架构

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20240822-0002

中图分类号：TN929.5 文献标志码：A

文章编号：1006-1010(2024)S12-0073-08

引用格式：辛雨,华健,暴桐,等. 一种适合6G统一波形架构的波形方案GFB-OFDM[J]. 移动通信, 2024,48(S12): 73-80.

XIN Yu, HUA Jian, BAO Tong, et al. A Waveform Scheme GFB-OFDM Suitable for 6G Unified Waveform Architecture[J]. Mobile Communications, 2024,48(S12): 73-80.

0 引言

未来6G将包含比5G更多和更复杂的应用场景[1-3]，不同应用场景的需求也不相同。对于一些特殊的应用场景，为了保证足够好的性能，增强波形设计是非常重要的[4-6]。除了一些特殊的应用场景之外，6G还可能存在多种场景并存或多种场景之间的快速切换等场景。因此，设计包含多种波形类型组合方案的6G统一架构新波形，将可以满足6G不同场景的需求和6G复杂场景的多种不同业务类型的需求。以6G重要场景之一的太赫兹通信场景为例，其中如何支持太赫兹通信的超大带宽一直是业内的难题[7-8]。由于硬件的实现以及算法复杂度限制等因素的影响，目前3GPP协议中给出的正交频分复用波形（OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplex）所支持的快速傅里叶逆变换（IFFT, Inverse Fast Fourier Transform）点数的最大值为4 096点；以及协议所支持的最大子载波间隔（SCS, Subcarrier Spacing）为960千赫兹（kHz, kilohertz），因此在技术上所能支持的最大带宽约为4吉赫兹（GHz,Gigahertz），这不能满足太赫兹场景下超大带宽的需求。所以如果要支持更宽的频域带宽，就需要增加子载波个数，也即提高IFFT点数。增大IFFT点数对于硬件来说会增加实现难度和处理复杂度，通常P点IFFT的乘法次数约为Plg P，P越大则复杂度越高[9]。所以，在6G场景中，对OFDM波形的增强设计是非常必要的。为实现超大带宽的数据传输支持，在文献[10]里提出了GFB-OFDM新波形。GFB-OFDM波形方案首次采用两级IFFT与多相滤波结合技术，以多个小点数IFFT的组合完成大点数IFFT操作，同时实现对多个子带的滤波操作[11]。除了上面所述，GFB-OFDM波形技术还具备以下几个优势：

（1）当每个子带的频带宽度固定时，改变子带的个数即可满足不同信道带宽的系统需求，这有利于在部分硬件固定的情况下灵活地适配不同的信道带宽传输。

（2）GFB-OFDM的多相滤波过程等价于对各个子带实现频域滤波，这样可以抑制子带之间的带外泄露，可以支持各个子带灵活地选择不同的子载波间隔的场景需求。并且，所有的子带在发射端可以一起进行处理。

（3）数据类型更加灵活，即每个子带内的数据可以为单载波数据，也可以为多载波数据，并且GFB-OFDM波形方案也能同时处理不同数据类型的子带，达到单载波和多载波的融合处理的效果。

（4）接收端的处理方案可以选择CP-OFDM的接收方案，并且处理复杂度相同。

另外GFB-OFDM还会减少硬件复杂度，这主要体现在以下两点：

（1）GFB-OFDM利用两级IFFT可以将原有的大点数IFFT分解成两级小点数的IFFT，以实现更大的IFFT点数操作，这可以减少大点数IFFT硬件的要求，减少复杂度。

（2）在子带带宽不变的情况下，通过调整子带数量就可以实现不同信道带宽的数据传输。这有利于在某些硬件不变的情况下灵活支持不同的信道带宽需求，并且仍然只使用一个滤波器参数就可以实现不同带宽的滤波，并不像现有波形方案中需要对不同信道带宽分别配置不同的滤波器参数。

下文将介绍通过调整子带数、子带内子载波数、滤波器参数等系统参数，GFB-OFDM波形可以变换为现有的多种主要候选波形[12-13]，包括但不限于：CP-OFDM[14]、FB-OFDM[15-16]、F-OFDM[17]、W-OFDM[18]、DFT-s-OFDM[19]、OTFS[20]等。通过这些波形变换，GFB-OFDM可以作为一种适合6G统一波形架构的波形方案，灵活地适配6G不同场景的需求和6G复杂场景的多种不同业务类型的需求[21-22]。

1 GFB-OFDM发射端系统框架及配置参数

GFB-OFDM发射端的系统技术原理性框图如图1所示，首先将待发射的编码调制后的数据划分成多组数据（每组数据对应一个子带），然后对每组数据进行IFFT（称作一级IFFT或子载波级IFFT），IFFT的点数和每个子带内的子载波个数相关；然后对每个子带的子载波级IFFT后的数据一起进行子带级IFFT变换（也称作二级IFFT），子带级IFFT的点数和子带的个数相关；然后经过多相滤波器，最后通过数字模拟转换器模块（DAC, Digital-to-Analog Converter）与射频模块（RF, Radio Frequency）发射数据。上述过程中子带划分过程和子载波级IFFT一起称作子载波级处理模块，子带级IFFT和多相滤波过程一起称作子带级处理模块。通过使用子载波级处理模块和子带级处理模块，就能利用两级较小点数的IFFT完成大点数IFFT的操作过程，并且可以对每个子带实现滤波效果。

为了作为一种适合6G统一波形架构的波形方案，设计完整的GFB-OFDM发射端系统框图如图2所示，主要的处理模块包括：预变换处理模块、子载波级处理模块、添加CP等操作模块、子带级处理模块、多相滤波模块。常用可配置参数为：预变换配置、子载波及第一级IFFT参数配置、CP参数配置、第二级IFFT参数配置、滤波器参数配置等。

表1给出了GFB-OFDM发射端的参数配置及对应的波形变换关系。

通过合适的参数配置，GFB-OFDM波形可以变换为：CP-OFDM、FB-OFDM、F-OFDM、W-OFDM、DFT-s-OFDM、OTFS等现有的多种主要候选波形。下面将分别介绍这些6G候选波形的具体参数配置过程。

2 GFB-OFDM实现其他波形的参数适配方案

2.1 实现CP-OFDM波形

实现CP-OFDM波形最主要的参数特征是，在图2的GFB-OFDM发射端系统框图中，子载波级处理模块配置的子带个数为1，多相滤波模块配置的滤波函数时域长度为1。其中，该子带的带宽为总数据带宽，子带内子载波个数为总子载波数。具体参数配置举例如表1所示。

假设频域有1 200个待传输数据，使用CP-OFDM波形进行数据传输时，在GFB-OFDM波形中，各个模块配置参数如下：（1）预变换配置：无预变换；（2）子载波及第一级IFFT参数配置：子带数划分为1，子带内子载波数为1 200，第一级IFFT点数为2 048；（3）CP参数配置：添加正常CP；（4）第二级IFFT参数配置：第二级IFFT点数为1；（5）滤波器参数配置：滤波函数时域长度为1，即滤波函数的离散值只有1个非零值。其中，由于第二级IFFT点数只有1个点，所以第二级IFFT等价于可以省略；多相滤波函数的离散值只有1个非零值，等价于多相滤波也可以省略。参数配置后简化的GFB-OFDM波形如图3所示，即将1 200个待传输数据映射到1 200个子载波，做2 048点IFFT，再添加CP，因此这时的GFB-OFDM波形处理过程就完全等于CP-OFDM波形处理过程。

2.2 实现FB-OFDM波形

实现FB-OFDM波形最主要的参数特征是，在图2的GFB-OFDM发射端系统框图的子载波级处理模块中，选择传输带宽的子带个数为分配的可用子载波数，每个子带包含1个子载波；多相滤波模块配置的滤波函数为频域根升余弦滤波器。具体参数配置举例如下。

假设频域有1 200个待传输数据，使用FB-OFDM波形进行数据传输时，在GFB-OFDM波形中，配置参数如下：（1）预变换配置：无；（2）子载波及第一级IFFT参数配置：子带数划分为1 200，子带内子载波数为1，第一级IFFT点数为1；（3）CP参数配置：不添加CP；（4）第二级IFFT参数配置：第二级IFFT点数为2 048；（5）滤波器参数配置：频域根升余弦函数。其中，由于第一级IFFT点数为1，所以第一级IFFT可以省略，相当于1 200个待传输数据直接映射到1 200个子载波，然后进行第二级2 048点的IFFT。参数配置后简化的GFB-OFDM波形如图4所示，即将1 200个待传输数据映射到1 200个子载波，做2 048点IFFT，然后进行多相滤波。多相滤波操作具体包括：将IFFT输出的2 048点数据重复4次，可以看做4个重复的子符号，然后与窗函数进行点乘操作，该窗函数为频域根升余弦函数，然后在时域上进行错位叠加。多相滤波器可以实现子带级滤波，由于该配置里每个子带只包含1个子载波，因此，这里的子带级滤波就等价于子载波级滤波。这时的GFB-OFDM波形处理过程就完全等于FB-OFDM波形处理过程。

2.3 实现F-OFDM波形

实现F-OFDM波形最主要的参数特征是，在图2的GFB-OFDM发射端系统框图中，子载波级处理模块配置的子带个数为1，该子带的带宽为总数据带宽，子带内子载波个数为总子载波数，多相滤波模块配置的滤波函数参数为频域根升余弦函数。具体参数配置举例如下。假设频域有1 200个待传输数据，使用F-OFDM波形进行数据传输时，在GFB-OFDM波形中，各个模块配置参数如下：（1）预变换配置：无；（2）子载波及第一级IFFT参数配置：子带数划分为1，子带内子载波数为1 200，第一级IFFT点数为2 048；（3）CP参数配置：添加正常CP；（4）第二级IFFT参数配置：第二级IFFT点数为1；（5）滤波器参数配置：频域根升余弦滤波器。其中，由于第二级IFFT点数只有1个点，所以第二级IFFT等价于可以省略。参数配置后简化的GFB-OFDM波形如图5所示，即将1 200个待传输数据映射到1 200个子载波，做2 048点IFFT，再添加CP，然后使用多相滤波模块实现子带级滤波，滤波函数为频域根升余弦函数，由于第二级IFFT点数只有1个点，因此此时的多相滤波器操作等价为时域卷积滤波操作。因此这时的GFB-OFDM波形处理过程就完全等于F-OFDM波形处理过程。

2.4 实现W-OFDM波形

实现W-OFDM波形最主要的参数特征是，在图2的GFB-OFDM发射端系统框图中，子载波级处理模块配置的子带个数为1，多相滤波模块配置的滤波函数时域长度为1。其中，该子带的带宽为总数据带宽，子带内子载波个数为总子载波数，选择软CP。具体参数配置举例如下。

假设频域有1 200个待传输数据，使用W-OFDM波形进行数据传输时，在GFB-OFDM波形中，各个模块配置参数如下：（1）预变换配置：无；（2）子载波及第一级IFFT参数配置：子带数划分为1，子带内子载波数为1 200，第一级IFFT点数为2 048；（3）CP参数配置：添加软CP；（4）第二级IFFT参数配置：第二级IFFT点数为1；（5）滤波器参数配置：滤波函数时域长度为1，即滤波函数的离散值只有1个非零值。其中，由于第二级IFFT点数只有1个点，所以第二级IFFT等价于可以省略；多相滤波函数的离散值只有1个非零值，等价于多相滤波也可以省略。参数配置后简化的GFB-OFDM波形如图6所示，因此这时的GFB-OFDM波形处理过程就完全等于W-OFDM波形处理过程。

2.5 实现DFT-s-OFDM波形

实现DFT-s-OFDM波形最主要的参数特征是，在图2的GFB-OFDM发射端系统框图中，预变换处理模块的配置为DFT变换，子载波级处理模块配置的子带个数为1，多相滤波模块配置的滤波函数时域长度为1。其中，该子带的带宽为总数据带宽，子带内子载波个数为总子载波数。具体参数配置举例如下。

假设有1 200个待传输数据，使用DFT-s-OFDM波形进行数据传输时，在GFB-OFDM波形中，各个模块配置参数如下：（1）预变换配置：DFT变换；（2）子载波及第一级IFFT参数配置：子带数划分为1，子带内子载波数为1 200，第一级IFFT点数为2 048；（3）CP参数配置：添加正常CP；（4）第二级IFFT参数配置：第二级IFFT点数为1；（5）滤波器参数配置：滤波函数时域长度为1，即滤波函数的离散值只有1个非零值。其中，由于第二级IFFT点数只有1个点，所以第二级IFFT等价于可以省略；多相滤波函数的离散值只有1个非零值，等价于多相滤波也可以省略。参数配置后简化的GFB-OFDM波形如图7所示，即先对1 200个待传输数据进行DFT变换，然后映射到1 200个子载波，做2 048点IFFT，再添加CP，因此这时的GFB-OFDM波形处理过程就完全等于DFT-s-OFDM波形处理过程。

2.6 实现OTFS波形

实现OTFS波形最主要的参数特征是，在图2的GFB-OFDM发射端系统框图中，预变换处理模块的配置为辛傅里叶变换（二维傅里叶变换），子载波级处理模块配置的子带个数为1，多相滤波模块配置的滤波函数时域长度为1。其中，该子带的带宽为总数据带宽，子带内子载波个数为总子载波数。具体参数配置举例如下。

假设有1 200*16个待传输数据，使用OTFS波形进行数据传输时，在GFB-OFDM波形中，各个模块配置参数如下：（1）预变换配置：辛傅里叶变换；（2）子载波及第一级IFFT参数配置：子带数划分为1，子带内子载波数为1 200，第一级IFFT点数为2 048；（3）CP参数配置：添加正常CP；（4）第二级IFFT参数配置：第二级IFFT点数为1；（5）滤波器参数配置：滤波函数时域长度为1，即滤波函数的离散值只有1个非零值。其中，由于第二级IFFT点数只有1个点，所以第二级IFFT等价于可以省略；多相滤波函数的离散值只有1个非零值，等价于多相滤波也可以省略。参数配置后简化的GFB-OFDM波形如图8所示，即先对1 200*16个待传输数据进行辛傅里叶变换，输出1 200*16个数据，然后映射到16个OFDM符号的1 200*16个子载波上，每1 200个数据做2 048点的IFFT，再添加CP，共进行16次，因此这时的GFB-OFDM波形处理过程就完全等于OTFS波形处理过程。

2.7 不同子带可以适配不同的波形

由于GFB-OFDM包含有子带级滤波，子带间的干扰比较小，因此不同子带可以适配不同的波形。例如多载波与单载波融合传输场景，该场景的一个比较好的实例就是目前3GPP 5G-A议题下的LP-WUS（Low Power Wake-Up Signal，低功耗唤醒信号）信号传输，LP-WUS采用单载波方式与其他多载波数据同时进行传输。

如图9所示，在多载波与单载波融合传输场景中，具体参数配置举例如下。

假设有8 192个待传输数据，划分成8个子带，其中第三子带为单载波子带，在GFB-OFDM波形中，各个模块配置参数如下：（1）预变换配置：单载波子带进行DFT变换；多载波无预变换；（2）子载波及第一级IFFT参数配置：子带数划分为8，子带内子载波数为1 024，第一级IFFT点数为2 048；（3）CP参数配置：单载波不添加CP（也可以添加CP）；多载波添加正常CP；（4）第二级IFFT参数配置：第二级IFFT点数为16；（5）滤波器参数配置：频域根升余弦滤波器。通过这些参数配置，GFB-OFDM即可实现多载波单载波融合传输处理。由于存在子带级滤波，不同子带间可以异步或采用不同的子载波间隔，因此GFB-OFDM的多载波与单载波之间的融合传输会更加灵活。

3 结束语

本文首次提出了一种适合6G统一波形架构的波形方案GFB-OFDM。GFB-OFDM在发射端处理的主要模块包括：预变换处理模块、子载波级处理模块、添加CP等操作模块、子带级处理模块、多相滤波模块。GFB-OFDM通过这些模块进行适配的参数配置，可以变换为多种现有的主要候选波形，具体包括：CP-OFDM、FB-OFDM、F-OFDM、W-OFDM、DFT-s-OFDM、OTFS等，并且可以同时支持不同子带适配不同波形的应用场景。

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辛雨：正高级工程师，博士毕业于北京邮电大学，现任职于中兴通讯股份有限公司，技术预研资深专家，研究方向为无线通信技术。首次提出FB-OFDM和GFB-OFDM波形方案，在波形方面已经发表了几十篇论文，现主要负责6G候选新波形技术预研。

华健：中级工程师，硕士毕业于哈尔滨工程大学，现任职于中兴通讯股份有限公司，研究方向为太赫兹通信场景相位噪声模型及补偿方案设计、波形调制等技术。

暴桐：中级工程师，硕士，现任职于中兴通讯股份有限公司，主要研究方向为B5G、6G 移动通信波形、调制解调等关键技术。

郁光辉：正高级职称，博士，现任职于中兴通讯股份有限公司、移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，担当无线技术预研总工，主要从事无线通信的基础理论及工程应用，先后深度参与我国3G、4G、5G等无线通信系统的标准预研工作，目前主要从事下一代6G无线通信系统的基础研究。

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