摘 要

5G移动通信系统是面向2020年以后人类信息社会需求的无线移动通信系统。5G的主要驱动因素包括高速数据传输速率、可靠性、功率效率、低时延、海量连接等。根据3GPP（3rd Generation Partnership Project）标准，虽然5G的基本波形仍然继续采用OFDM（orthogonal frequency division multiplexing, 正交频分复用），但是为了增强应用程序、信道条件和系统场景的多样性，灵活性的设计是必要的。而5G新无线接入技术（radio access technology，RAT）的灵活性设计主要包括波形、numerology和帧结构三个层面的内容。本文主要围绕5G移动通信系统中的灵活性numerology设计展开研究。首先，本文将对2G以来的无线接入方案进行回顾，并指出灵活设计波形和numerology的必要性。然后详细介绍OFDM仿真系统的总体原理及工作流程，包括各个功能模块的基本原理，并借助MATLAB进行仿真实现，根据系统仿真的有效性和可靠性给出OFDM和F-OFDM的仿真结果和分析。最后提出了一种灵活numerology设计方案。

关键词：5G，OFDM，numerology

Abstract

The 5G mobile communication system is a wireless mobile communication system that targets the human information society after 2020. The main driving factors of 5G include high-speed data transmission rate, reliability, power efficiency, low delay, mass connectivity and so on. According to the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standard, although basic 5G waveforms continue to use orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), flexibility is required to enhance the diversity of applications, channel conditions and system scenarios. The flexibility of the 5G radio access technology (RAT) design mainly contains three levels, including waveform, numerology, and frame structure. This article mainly focuses on the design of flexible numerology in 5G mobile communication system. First, this article will review the wireless access scheme since 2G and point out the need for flexible design of waveforms and numerology. Then, the OFDM simulation system is introduced in detail, including the basic principles of each functional module where the simulation is realized with MATLAB. The simulation results and analysis of OFDM and F-OFDM are given according to the validity and reliability of the system. Finally, a flexible numerology design scheme is proposed.

KEY WORDS: 5G, OFDM, numerology

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

第二章 无线接入方案回顾及灵活设计必要性 3

2.1无线接入方案回顾 3

2.2灵活设计的必要性 4

2.3 一些关键技术 5

第三章 OFDM仿真系统及F-OFDM仿真 6

3.1 OFDM概述 6

3.2仿真系统总体原理 6

3.2.1原理框图和原理简介 6

3.2.2 仿真系统工作流程 8

3.3. 仿真平台 12

3.3.1主程序 12

3.3.2发送部分 14

3.3.3接收部分 17

3.3.4无线信道 20

3.4系统仿真平台和结果 21

3.4.1系统参数 21

3.4.2仿真结果 22

3.5 F-OFDM仿真 23

第四章 灵活性numerology 26

4.1 numerology设计需求 26

4.1.1 循环前缀 26

4.1.2 子载波间隔 26

4.1.3 采样时钟频率和FFT大小 26

4.2 提出的numerology 27

第五章 结论 28

参考文献 29

致 谢 31

第一章 绪论

下一代无线技术标准化已经在第三代合作伙伴计划（3GPP）中于2016年展开，其目标是在2020年左右实现5G无线系统的商用^[1]。5G无线接入技术需要解决三个主要挑战来实现一个真正的网络社会：连接设备数量的大幅增长，流量的大幅增长以及逐渐增长的具有多样要求和特性的应用。大体而言，我们可以对以下的5G用例（或服务）进行分类：

• 增强的移动宽带（eMBB）：需要非常高的数据速率和大带宽。
• 超可靠的低延迟通信（URLLC）：需要非常低的延迟以及非常高的可靠性和可用性。
• 大规模机器类型通信（mMTC）：需要低带宽，高连接密度，增强的覆盖范围和用户端的低能耗。

上述5G服务的需求是多种多样的，且对新频谱和实施具有一定含义。适用于5G的频谱将在2020年确定。实际频段和频谱数量尚未确定。下到1 GHz上到100 GHz的所有频段都是5G的潜在候选对象。5G服务将需要一系列不同的带宽。在底层，我们设想用相对较低带宽来支持大规模机器连接。相比之下，需要高容量的方案可能需要非常宽的带宽，例如4K视频和未来媒体。毫米波频谱带（接近和超过30GHz）将在某些部署中发挥作用来实现预想的容量。

3GPP旨在对新型无线接入技术（RAT）的组件进行开发和标准化。该组件被设想在高达100 GHz的频率下运行来服务于各种用例。这种新的RAT被称为NR，这是目前3GPP中公认的缩写^[2]。NR将被优化以适用于更好的性能，对于向后兼容性，将不予考虑不需要能够驻留在NR载波上的传统长期演进（LTE）用户设备（UE）。LTE也有望演变，能够达到5G的一部分要求。5G无线接入的愿景如图1所示，其中NR和LTE演进是5G的组成部分。预计LTE演进将运行在6 GHz以下的频率，并且NR将运行在1 GHz以下到100 GHz以上的频带。为了有效地聚合NR和LTE流量，NR和LTE将紧密集成。