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第5代移动通信基本要求与新型多址复用技术

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资料介绍

空中接口标准在移动通信网络中是最关键部分,而空中接口中最核心的是多址与复用技术.首先给出了第5代移动通信系统(5G)对空中接口技术的新要求,然后对OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)存在的问题进行了分析,在此基础上,重点讨论了滤波器组多载波传输(filterbank based multi carrier,FBMC),通用滤波多载波(universal filtered multi carrier,UFMC)和广义频分复用传输(generalized frequency division multiplexing,GFDM)等3种基于OFDM改进的新型多址与复用技术.

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V01．27

No．4

第27卷第4期

2015年8月

重

大学学 (自然科学版)

of Posts and

Science

Journal

Telecommunications(Natural

Edition) Aug．2015

Chongqing University

DOI：10．3979／j．issn．1673— 825X．2015．04．002

第5代移通信基本要求与新型多址复用技

中

(重

大学工程研究院，重，400065)

摘要：空中接口准在移通信网中是最关部分，而空中接口中最核心的是多址与复用技。首先出了

division

第5代移通信系 (5G) 空中接1：7技的新要求，然后 OFDM(orthogonal frequeney

based multi

multiplexing)存在

的

多

行了分析，在此基上，重点

了

波器

多

波

(fiherbank

carrier，FBMC)，通用

波

filtered multi

division

波(universal

carrier，UFMC)和广

分复用

(generalized frequency

multiplexing，

GFDM)等3种基于OFDM改的新型多址与复用技

。

关

中

：5G；多址与复用；波器

号：TN915

多

波

(FBMC)；通用波多

：A

波

(UFMC)；广

分复用

(GFDM)

分

文献

文章号：1673— 825X(2015)04-0434-07

and multi-access

for 5G

Key requirements

multiplexing techniques

XIE

Xianzhong

Institute of

of Posts and

(Research

University

Telecommunications，Chongqing 400065，P．R．China)

Engineering＆Technology，Chongqing

interface standard is the most

key part

in mobile communication

multi access and

multiplexing

of the fifth mobile

generation

Abstract：Air

networks，and

the

schemes of the air interfaee standard．At

first．fundament

some

techniques

requirements

communication

and

fre—

system(5 G)are present．Secondly，this paper anMyzes

disadvantages

problems

orthogonal

division

this

focus

Flew

and

based

basis，we

quency

multiplexing(OFDM)．On

multiple

multiplexing techniques

to fiherbank based multi

filtered multi

OFDM，including

carrier(FBMC)，universal

carrier(UFMC)and generalized

division

frequeney

multiplexing(GFDM)．

access and

based muhi

filtered multi carrier

Key words：5G；multi

carrier(FBMC)；universal

multiplexing；fiherbank

division

(UFMC)；generalized frequency

multiplexing(GFDM)

日益增的巨大需求，移通信系一直在不断

引

言

展和演

。

在短短40多年的

展，的生活方式、工作模式以及社会的政

等各方面都来了巨大的影响⋯ 。随着人

里，移通信得到了

速

若将移通信比作公路旧j，第1代移

信系 (1G)是普通公路，开辟了移通信的

新天地；第2代移通信系 (2G)是一般高等

通

的

人

治、

生活水平的不断提高，社会

通信容量和的需求不断增加，了更好

的不断步，

移

足

公路，普通人享受到移通信的方便和益；第3

代移通信系 (3G，也称IMT-2000)是准高速公

收稿日期：2015-07-02修日期：2015-07— 18通作者：

中．edu．cn

基金目：国家自然科学基金(61271259)；重市教委科学技研究目(KJl20501)

Science and

Research

Foundation Item：The National Natural Science Foundation

China(61271259)；The

Technology

Project

Education Commission of

China(KJl20501)

Chongqing Municipal

万方数据

· 435·

第4期

中：第5代移通信基本要求与新型多址复用技

路，可以提供基本的移多媒体

；第4代移

通

基于OFDM改的新型多址与复用技，它都可

能会成 5G的候方案。

信系 (4G，也称IMT— advanced)是高速公路，可以

在移上提供几乎所有Internet (移

网)；第5代移通信系 (5G，也称IMT．2020)

网

互

第5代移通信基本要求

将是超高速公路，

普适接和泛

速率与有

。

光

接入媲美，

从目前来看，移

things，loT)是未来移通信展的两大主要

力，并通信来新的技。5G移通信

支持爆炸性的移数据流量增

接、不断涌的各

互网和物网(internet

5G不

是通信服，5G也不再

追求

移

挑

效率和

速率，而重点关注融合、泛在、普适、

重点

系

和网

必

、

色及件化、云化、智能化等特征。3。，

向

海量的

新

和用

万物互和智慧世界，其影响将

超出信息通信

景，此，各界达成共的5G基本要求如下∞。1⋯ 。

and communication

技

(information

ICT)的行范畴，并来新的

生活模式，推新一与技革命。目前，世界

上主要准化、国家和公司都在大力研

展5G技准与

通信来，最重要的无

速率要求。

technologies，

· 10

模式、运模式、

Gbit／s峰速率。了支持增

、虚

工

、超高清

交网消息等未来典型

律，5G网

、云存

、

网、智能家居、社

和

，并根据移通信代

、

系

。

展

同

需要10倍于4G网的峰

速率，即达到10 Gbit／s量的峰速率，相当于10

移

技

(ra—

dio transmission

吉比特以太网速率，似有

骨干网

速率。用

得的最低

。

technology，R1Tr)也称空中接口技

· 10— 100

Mbit／s的用

体

速

，而其中最核心的是多址与复用技。1G 代的

division mul—

空中接口核心技是FDMA(frequency

率可以解

速率。到2020年，移

多数的条件下(包括广域覆盖和快速移

Mbit／s及以上速率体保障。

真

网

境下用

可

access)，2G 代的空中接口核心技是TDMA

网

需要能

保

在

大

tiple

division

(time

access)，3G 代的空中接口

景)，任何

multiple

division

于

核心技是CDMA(code

access)，

用

能

得10

multiple

特殊需求用

Mbit／s的

和

，5G系需要提供高达100

4G的空中接口核心技是OFDM／OFDMA(orthogo—

nal

division

fre-

multiplexing／orthogonal

速率保障，以足部分特殊高

先

frequency

division

aceess)，因此，什么将会成

(如急救内高清医

2) 接与流量要求。

像

服等)的需求。

quency

multiple

5G 代的空中接口核心技是目前关注的焦

· 100倍的接器件数。

根据文献[4]的，2010，2030年全球和中国移

端及物接数增 1所示。未来

5G网用范畴极大展，随着物网的快速展，

点，也是研究和展5G的关

。

本文不打算全面描述5G的相关

(可参考

文献[4．5])，重关注5G基本要求与新型多址复

网

如

用技，从目前学界的研究成果和各公司／

道情况来看，基于OFDM改方案是人 5G

的

到2020年接的器件数目将达到500-1 000

就要求位覆盖面内支持的器件数目将极大增

。

准空中接13技的最有力争者。本文首先出了

，

代

空中接口技的新要求，然后 OFDM存

在一些景下位面内通 5G移

网

接的器

在的

行了分析，在此基上，重点

了3种

件数目达到100万／平米，相 4G增 100倍。

移

端

接数(

部

物

网

接数( 个)

●l 000

●

全球

中国

750

500

250

L2010韵2020嘲

20,-0+1．!

，

一人口

■物

网

网接数

2010--2030年全球和中国移

端及物

接数增

Connection iltllllber

and loT in the Worhl and China

20 I

during

t)I’edictions

O一2030

Fig．1

万方数据

· 436·

重

大学学 (自然科学版)

第27卷

通信

· l

000倍的流量增

。

通信程能得到通信安全保，使用

要

生信任感。

000倍的无速率增要求(required

4)能耗和成本要求。

· 网合能效提升1 000倍。

目前，ICT

performance)，目前

从3个

度

行考，如

em—

2所示。①增加使用的

源(spectrum

ployed)，目是增加3倍的

，目前国内外 5G

耗

量大占全球耗

量的

的

源

划正展开极工作，如毫米波段和

8％，ICT

空运

的CO，排放占全球2．5％(与全球航

effi—

知无

ciency)，目

M0、新型多址复用技

；③提升网部署密度(network density)，目

是小区的密度提升56倍，比如采用小蜂 (small

技

等；②提高

效率(spectral

相当)。色低碳是未来技

展的重要

是

效率提高6倍，如大模MI．

一步提升效率的关

需求，通端到端的

率，使网

提升1 000倍，但能耗与有网相当。

能

，支持更高的能耗效

等

合的能耗效率提高l 000倍，然流量

技

合成本持下降。

cell)和超密集网等。

，流量可以增 3×6×

5G网

的

合成本主要包括

、运等方

56=1

008倍。

面，在

方面，通引人新技使每比特

成本

降低，平均每位用支付的

用和移数据流

量

用

与目前成本相当甚至更低；在

方面，

精确控网

源和有效感知

特性，并降

低多制式共存、网

升

以及新功能引入等来的

复

度。此外，兼容有网，保已有投，也是

降低合成本需要考

的

。

oFDM的

分析

在研究4G方案已 FDMA，TDMA和CDMA

的

行了多分析，另外，OFDM／OFDMA的原

理和点也有多文献述，不再述，里主要

OFDM／OFDMA存在的要分析。

1)存在高的峰平均比。

行

2三度性能增

目

与

波系相比，由于OFDM信号是南多个

制的子波信号相加而成的，

from

required performanees

Fig．2

spectrum employed，

独立的

的

and

network

spectral efficiency

density

合成信号就有可能生比大的峰功率，南此会

3) 延和可靠性要求。

· 用面和控制面延相 4G

来

高的峰平均功率比，称峰均比(peak．to—

ratio，PAR)。此，展了多PAR抑制

短

1／5—

average

1／10。

技

(包括加窗技

、

技、概率技等)，

5G网需要

如工控制、急通信等更多高价

需要一步降低用延和控制面延，相

4G 短5．10倍，达到人力反的极限如5 ms(触

用

提供随

在

的体，并

或PAR回避方案(比如3GPP LTE上行路中采用

的SC— FDMA方案)。

足

景需求，

面

率偏移敏感。

OFDM的

主要体在子

波

的正交性，

反

)甚至更低，并提供真正的永

· 更高的安全可靠性。

在

体

。

但由于移台或周

Doppler效，引起

境的快速移可以生

波

率偏移(carrier frequency

面向

需求，往往关系人的生命和重大

可靠性具有极高的指要求，端到端可靠性

网、工控制等垂直行的特殊

用

提

offest，CFO)，会破坏OFDM子

波的正交性，并

安全，

使接收端的子

ICI)，致系的性能下降；同，由于副

的高旁瓣展到一个，将会造成

此，展了系列子偏估

波

干

(inter— carrier interference，

升到99．999％甚至100％。另外，未来网需要提

供更高的安全性保端需要支持身份／信用

安全性，其个性化置能得到私保，其

波

，

平

的

子

波

干

。

波

万方数据

· 437·

第4期

中：第5代移通信基本要求与新型多址复用技

与

技

。

的很多感器同

接，而

个

接

送数据量极

3)受保

在接收端一个重要

信号，如果采序列是

隔影响。

低，就需要在域上配置

域上Symbol和rrI’I足

比

窄的子波，在

是能否准确地采到来

，几乎不考

串

Fourier

的，FFvr(fast

，也就不需要再引入CP，同异步操作可以

解决端省有OFDM方案的子

确定后，Symbol 度、cP 度等也就确定了，因

transform)就不能正确恢复波上的接收数据，并引

起OFDM符号之的干 (inter．symbol interference，

的

；

波

此，

些要求的灵活性和

能力不足。

IsI)，因此，在接收端和送端之需要

了避免，可以附加的

包容度，个附加的序列叫保

同步。

序列以增加

基于On)M改的多址与复用技

in-

隔(guard

terval，GI)。一般在保

隔内重复原始序列中后

(cyclic perfix，CP)，

或者更。但是，保

3．1 波器

了克服

多

波

(FBMC)

段采

其

，

也称

循前

波

率偏移 OFDM

的影响，

度与信道

一

可以通具有小旁瓣的波器得到极大解，于是

隔不没有

任何有用信息，而且致了

功率失。

based multi

提出了基于波器的多波(fiherbank

效率有所下降和

4)适配各种

cartier

transmission，FBMC)技。FBMC在1960s被

的灵活性不

。

首次研究-11 1，且史上第一个多波技也是使用

5G 代的用将空前多和繁荣，不同

空口接口的要求也是复和多，比如3D全息影

要求1 Gbit／s的网自

要求1 ms的延，物网的每平方公里几十万

用

波器

多

波信号

行

合与分析的¨2I。尽管

高可

源受限和

FBMC的算复度高于OFDM，但随着人

像

，

靠、高速度通信需求的增加，以及

境复等通信瓶

感

日益凸，以及信号

理

器

接等。事上，端到端1 ms 延要求极短的

和

子

的

著

步，它再次引起了研究者的

time inter—

趣。1川。。

FBMC

原理框 ’1^5‘16

域符号(Symb01)和

隔(transmission

的子

o。

val，1TrI)，就需要

域

波

；物网

⋯

：

Filter

Flanki

Blanki

；Analysis

{Synthesis

FFT

S，P

PPN

P，S

FBMC

原理框

Block

FBMC transmission

diagram

Fig．3

stream)通串并

与OFDM相比，FBMC用一

化的波器

3中，入数据流(input

filter

代替OFDM中的矩形窗函数，从而达到降低外衰

减的目的¨7I；其次，FBMC的原型波器可以被

(S／P)后

入

合

波器 (synthesis

bank)，再并串

(P／S)后送到信道(chan．

nel)；接收端先行S／P

，后通分析波器

出数据流

成

有很大的灵活性去匹配

或者率色散信

filter

bank)，再 P／S

后

道及具有小的旁瓣去

不同准的多址接人或

(analysis

stream)。

合

波器包括快速傅里叶逆

transform，IF胛)和多相

机会式

的冲

接人通信。18j；一步，由于原型波器

(output

fast Fourier

(inverse

响

和

率响可以根据需要

行

，各

，

network，PPN) 理，各个子

子

波之不必是正交的，允更小的率保

因此不需要插入循 ~l9I；最后，FBMC能

各子置、各子波之的交叠程度的灵

活控制，从而可灵活控制ICI，并且便于使用一些零

波器 (poly phase

信号合后行重建出；分析波器包括

PPN 理和FFr ，把入信号分解成多个子

行

前

波

信号。由此可知，分析波器

逆向构。无是分析波器

和

合

是

波器

合

互

波器

散的

源。

，它的核心构都是原型波器。

得

明的是，因

子

波具有窄的

，

万方数据

· 438·

第27卷

重

大学学 (自然科学版)

波器的度及其

射

波器的冲激响

度通常很，于是FBMC

，但FBMC符号中没有循前

种效率失；此外，FBMC的

构要求将失其有效

性⋯ 。

一般比OFDM

，从而可以弥

一种

FBMC的改方案是通用波多

波

filtered multi carrier

(universal

transmission，UFMC)

的子波

算复度高于OFDM，但由于信号理和

子

技

。22’23。。UFMC是

一

波

行

的

著

步，FBMC

用是可行的。

(UFMC)

理，而不是FBMC中使用的每个子波独立

波操作。当每中子波数就成 FB．

3．2通用波多波

在3．1 中看到，

行

于

用

通信和多用

的

，因此，也被称通用波OFDM(universal

OFDM，UF— OFDM)。

下行

，但在MIMO

detection)和作多点(coordinated

，FBMC可以很好地工作，并具有一定

filter

、多用上行接收／

(joint

以上行路(UE到Bs)

与接收(Tx／Rx)原理框。与 3中

不同的是用一子波波理

例，如 4是

multi-point，

UFMC

FBMC

CoMP)等情况下，FBMC不灵活，甚至不支持。2⋯ ；

一步，5G网的一个重要特性是有效地支持小数

(block．wise

filtering)模取代了每个子

波波

据包的

、物网(10T)以及“海”量机器通信

，但FBMC

的PPN 理模

。

(MTC)，此物理需要支持短

突

一一一一一一●____一一～一一-_一。。。_。●。。⋯

一

—

— +

f一⋯ ⋯ 一⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 一～’ i]

Joint

Ⅳ”

Detection

＆

CFO

Comp．

蝻_珊i

的

4上行路UFMC

原理框

Block

Fig．4

of UFMC

transmission

uplink

diagram

一

子波行波可以使UFMC具

最低做到一个子

波

，

了在域和

域

有更大的灵活性，它除开具有FBMC

从低、低功率的物到高

的

点外，

的

源灵活复用，并把保

灵活性的

降到了最小，同

网

解决了

。

UFMC都能支持。相比于FBMC的波器度，

UFMC技可以使用波器度，可以支

持短突度，适用于短突通信，可以作未来

短

5G无系支持大量MTC和低成本loT

的一

个潜在候；由于增加了ICI的棒性，于存在

波

率偏移的MIMO

和上行路CoMP 境，

UFMC已被

明

于FBMC。此外，FBMC的波器

UMFC

源

配置

需要控制每个子波的旁瓣和外衰减，而UMFC

只需要控制一波的旁瓣和外衰减，可

以明减少旁瓣干直接子信道的影响，放

of UMFC

resource units

Fig．5

Time— frequency

子

3．3广

分复用

(GFDM)

相

松

波器的

要求也成本

来

。

在3．2 中看到，相 OFDM和FBMC，UFMC

有更多点，但因没有CP，UFMC比CP— OFDM

也有文献建

UMFC增加CP， 5 增加

源配置。从 5我可以

CP后UMFC的

短

散

的不重合更敏感，因此，UFMC可能需要松

同步以能源的用不适合。此，一种

看到，UMFC能不同

(包括

音／

等)提供

、Symbol 度和cP 度配置，以

源需求。通波器的

波之的保

、loT

、MBMS

、

网

灵活的多

波

制方法— — 广

分复用(general—

ized

division

不同的子

足不同

波

frequency

multiplexing，GFDM)被提

山：25]

的

化

，UMFC可以把不同

子

6a和6b分

GFDM

制(modulator)

万方数据

· 439·

第4期

中：第5代移通信基本要求与新型多址复用技

与接收解 (demodulator)原理框 ‘2缸2 7i。人数

据的

制包括：通 M点FFTr

到

域信

抽

号，然后 1-抽

域均衡(FDE，F。和F。

本文出了5G 空中接口技的新要求，并

系数，D

and

延

模

)，再

M．KM

器(store

OFDM存在的

行了分析，然后重点

了

move)，最后 KM点IFFvr

到

域信号(保

3种基于OFDM改的新型多址与复用技，它

K个子波中每个携 M个符号)，送前加入

CP。接收信号的解：首先去掉CP，接着通

KM点FFr KM— M 器后，行￡抽

都将是5G 准的有力争者，

5G技研究和

理

准化具有重要参考价。

，

参考文献：

域均衡(凡，Fl’．一，巴。

抽

系数)，最后是M

Marcus．The

VIswANATHAN

[1]

Harish，WELDON

Past，

点FFrI’

域数据。

Present and Future of Mobile

Labs Technical

Communications[J]．Bell

根据波、信道和

的

化要求，GFDM可以

Journal，2014，19(1)：8— 2l

插入不同型的CP，允低复度的均衡，因而具

[2]

中．基于TDD的第四代移通信技 [M]．北

有CP．OFDM的

性。GFDM基于独立的

制

京：子工出版社，2005．

(block．wise

filtering)，其中每个包括多个子

波

Mobile Communi—

Fourth Generation

XIE

Xianzhong．The

Based on

的和子符号，因而具有UFMC的灵活性。GFDM的

cation

Technology

TDD[M]．Beijing：Publish—

Industry，2005．

子

波通有效的原型波器波，在

域被循移位，此程减少了外泄漏(out

band，OOB)，使目前的服或其他用

和

率

House of Electronics

ing

[3]

IMT一2020(5G)推

．5G愿景与需求白皮 [R]．

之

不

生

北京：IMT一2020(5G)推

会

，2014．

Paper

Group．White

重干，因而具有FBMC的ICI抑制能力。分析

6a和 6b，GFDM的每一个或一波的

就是一个域均衡(SC-FDE)，因而，它可以

被看做SC— FDE的一种展方案，在减少峰均比

IMT-2020(5G)Promotion

Vision and

of IMT一

Demand[R]．Beijing：Conference

子

理

2020(5G)Promotion

Group，2014．

波

ANDREWS

[4]

[5]

Jeffrey G，BUZZI Stefano，CH01 wan，et

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Selected

Be?『J]IEEE Journal

(PAR)方面具有

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Cheng-Xiang，FOURAT Haider，GAO Xiqi，et

WANG

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5 G

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technologies

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Communica—

networks[J]．IEEE

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尤肖虎，潘志文，高西奇，等．5G移通信

展

[6]

与若干关技 [J]．中国科学：信息科学，2014，44

(5)：551— 563．

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Xiaohu，PAN Zhiwen，GAO Xiqi，et a1．Develop—

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of 5G Mobile Commu—

Key Technologies

Sinica

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(5)：551— 563．

lnformationis，2014，44

[7]IMT一2020(5G)推

．5G概念白皮 [R]．北京：

《5G概念白皮

》

布会，2015．

GFDM demodulator

GROUP．White

IMT一2020(5G)PROMOTION

Paperon

GFDM 制与解原理框

5G _{Concept[R]．Beijing：Release}Conference

of《White

and demodulator

of GFDM modulator

Block

Fig．6

diagram

on 5G

Paper

Concept}，2015．

由于上述灵活性和点，GFDM 足第1

5G物理 (PHY)的不同要求，是一个有前途的

解决方案[28 。但GFDM以一些外的复

代价，随着信号理和展，GFDM是容

和控制的。

中

G：A

vision[R]．

[8]Huawei Technologies．5

technology

Shenzhen：Huawei Technologies

Ltd，2014．

度

ZTE

on next

mobile

generation

[9]

Corporation．White paper

子

的

technology[R]．Shenzhen：ZTE Corporation，2014．

[10]大唐无

移

新中心．5G白皮 [R]．北京：大唐

易

信科技股份有限公司，2013．

万方数据

· 440·

第27卷

重

大学学 (自然科学版)

a1．Universal—

Wireless Mobile Innovation Center．White

Telecom

[21]VAKlLIAN V，WILD T，SCHAICH F，et

Datang

Paper

filtered multi— cagier

for wireless

systems beyond

Technology．CO．

technique

5G[R]．Beijing：Datang

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LTD，2013．

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tutorial

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banks，polyphase

digital

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Design

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『l

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for short

and low

transmissions

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S．GFDM—

[24]FETI'WEIS G，KRONDORF M，BITrNER

[14]庄陵，葛，李季碧，等．

波技 [J]．重

无

通信中的波器

Generalized

Frequency

IEEE Vehicular

Division

多

大学学 (自然科学版)，

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a1．Generalized

Simres，et

division multi—

frequency

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Wireless

Conference．[s．1．]：IEEE Press，2010：105 ^l一

[26]MICHAILOW N，KRONE S，LENTMAIER M，et

a1．Bit

1058．

error rate

generalized frequency

IEEE Vehicular

division

Con—

performance

M．Data— aided

[16]FUSCO T，PETRELLA A，TANDA

sym—

multiplexing[C]／／76th

Technology

bol

and CFO

for filter bank multi—

EEE

timing

carrier

synchronization

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[27]WUNDER G，JUNG P，KASPARICK M，et

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[17]SIOHAN P，SICLET C，LAcAILLE

waveforms for fu—

Communications

Mag—

N．Analysis

sign ^ofOFDM／OQAM systems

Transactions

theory

based on filterbank

ture mobile

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I．Low

1170— 1183．

GFDM receiver based

IEEE Ve—

[28]GASPAR

complexity

and fre—

D，DORE J-B．Time

domain

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for CoMP with

hicular

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tems．Ilmenau，Germany：VDE，2013：1— 5．

RUYET

a1．Per．

D，et

[19]MEDJAHDI Y，TERRE M，Le

作者

介

formance

in the Downlink of

Asynchronous

Analysis

Base

中(1966一)，男，四川通江人，教授／博

士生，博士，主要从事无通信理

与信号理研究。Email：．

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移

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(8)：2630— 2639．

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edu．cn。

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G，KASPARICK M，BRINK

[20]WUNDER

ten，et

LTE

the

Or—

Design

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Paradigms

and

IEEE Vehicular

thogonality

Synchronicity[C]／／77th

(

：魏琴芳)

Technology Conference(VTC20

3一Spring)．Dresden，

Press，2013．

Germany：IEEE

万方数据

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