f-ofdm技术应用-晟辉智能制造

F-OFDM 是什么？解决了什么问题？

我们简单回顾一下传统的 OFDM，OFDM 技术通过将高速数据流分解到多个并行的低速子载波上进行传输，有效对抗多径衰落，是实现高速宽带通信的基石，OFDM 也存在一些固有的缺陷，主要在于其频谱泄露和高带外辐射问题。

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OFDM 的缺陷：
- 高旁瓣： OFDM 信号的时域波形是多个子载波信号的叠加,这导致其频谱在子载波边缘有很高的旁瓣。
- 频谱泄露： 这些高旁瓣会“泄露”到相邻的频带中,造成带外辐射。
- 对同步误差敏感： 频谱泄露使得系统对载波频率偏移和相位噪声非常敏感。
- 资源分配不灵活： 灵活的资源块划分也带来了频谱碎片化问题，难以支持非连续、非对称的频谱分配。

F-OFDM 的核心思想 是：在传统的 OFDM 调制器之后，增加一个或一组带限滤波器。

这个滤波器的作用就像一个“裁缝”，它将 OFDM 信号频谱中那些造成泄露的“裙边”（旁瓣）剪掉，使频谱变得更加紧凑,带外辐射显著降低。

F-OFDM 解决的核心问题：

抑制带外辐射： 通过滤波，将频谱能量严格限制在分配的带宽内,大幅减少对邻近频段的干扰。
提升频谱效率： 由于带外辐射降低，不同网络或服务之间可以更紧密地复用频谱，减少了保护间隔,从而提高了整体频谱利用率。
增强系统鲁棒性： 对频率同步误差的容忍度更高,因为滤波后的信号对频偏不那么敏感。
支持灵活的带宽分配： F-OFDM 允许为不同的业务（如 eMBB, URLLC, mMTC）分配不同带宽的子载波，并且每个子载波组都可以有自己的滤波器，实现真正的按需、灵活的频谱切片。

F-OFDM 的这些优势使其在 5G 的三大典型应用场景中扮演着至关重要的角色。

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这是 5G 最核心的应用场景,目标是提供极高的数据速率和容量。

应用价值：
- 提升频谱聚合效率： 在 5G 中，运营商需要将不同频段的零散频谱聚合起来以获得更大的带宽，传统 OFDM 在聚合时，不同频段之间需要较大的保护间隔，以防止频谱泄露，F-OFDM 可以极大地减小甚至消除这些保护间隔,使得频谱聚合更加紧密高效。
- 支持超宽载波： 为了实现 Gbps 级别的峰值速率，需要传输数百 MHz 甚至 1 GHz 以上的超宽载波，F-OFDM 的滤波特性可以有效控制如此宽信号的带外辐射，避免对其他系统（如卫星通信、雷达系统）造成干扰。
- 毫米波通信： 毫米波频段拥有海量带宽，但其传播路径损耗大，需要与其他系统共享频谱，F-OFDM 的低带外辐射特性使其成为毫米波通信的理想选择,可以与现有系统共存。

这个场景要求网络具有极低的时延（毫秒级）和极高的可靠性（99.999%）。

应用价值：
- 减少时延： F-OFDM 的灵活带宽分配能力可以为 URLLC 业务（如自动驾驶、工业控制、远程手术）预留专用、隔离的窄带资源，这些资源不受其他业务（如高清视频流）的频谱泄露影响,从而保证了传输的稳定性和低时延。
- 精确的资源隔离： 通过为 URLLC 业务配置一个具有陡峭滚降特性的滤波器，可以确保其数据传输“滴水不漏”地限制在 allocated bandwidth 内，不会干扰到对时延和可靠性要求不高的 eMBB 业务。

这个场景旨在连接海量的低功耗、低成本物联网设备。

应用价值：
- 灵活的带宽适配： mMTC 设备（如智能传感器、智能水表）的数据传输通常是突发、小包、低速率的，F-OFDM 可以为其分配非常窄的子载波组，而不必像传统 OFDM 那样必须使用标准化的资源块,这种灵活性极大地提高了频谱资源利用率。
- 降低终端成本和复杂度： mMTC 设备成本敏感，F-OFDM 的结构可以设计得相对简单，终端只需处理属于自己的窄带信号,降低了接收机的复杂度和功耗。

F-OFDM 并不是一个独立的标准，而是作为 5G NR (New Radio) 空口技术的一部分，通过一种称为 灵活 numerology（灵活的子载波间隔） 的机制来体现。

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传统 LTE 的 Numerology： LTE 系统中，子载波间隔是固定的 15 kHz，所有业务都使用这个“一刀切”的参数。
5G NR 的 Numerology： 5G NR 引入了可变的子载波间隔，如 15 kHz, 30 kHz, 60 kHz, 120 kHz, 240 kHz 等，不同的子载波间隔对应不同的符号时长和循环前缀长度,以匹配不同业务的需求。
F-OFDM 的角色： 这种灵活的 numerology 结构，其底层实现逻辑正是 F-OFDM，当系统选择一个较大的子载波间隔（如 60 kHz）时，它实际上是在使用一个经过优化的、更“紧凑”的 OFDM 波形，这个波形在频谱上更干净，这正是 F-OFDM 的特性。

可以说 5G NR 的灵活 numerology 架构是 F-OFDM 思想的一种具体工程实现，它使得网络可以根据业务需求，动态地配置具有不同带宽和滤波特性的“频谱切片”。

尽管优势明显，F-OFDM 的应用也面临挑战：

实现复杂度增加： 相比于 FFT/IFFT 的简单实现,加入滤波器组会增加基带处理的复杂度和硬件成本。
滤波器设计： 滤波器的设计需要在带外抑制性能和系统时延/峰均比之间做出权衡，过于陡峭的滤波器可能会引入更高的时延和峰均比,影响系统性能。
标准化与兼容性： 需要与现有网络和终端设备兼容,增加了标准化的难度。

未来展望：

F-OFDM 是 5G 演进的重要一步，随着技术的成熟和芯片成本的降低，它在 6G 和未来通信系统中的应用前景更加广阔,未来的研究方向包括：

F-OFDM 技术通过引入滤波机制，有效解决了传统 OFDM 的频谱泄露问题，为 5G 乃至未来通信系统实现更高效、更灵活、更可靠的频谱利用提供了关键技术支撑，它不仅是 5G NR 灵活 numerlogy 的基础，更是通向下一代智能通信网络的重要桥梁。