前言

即将到来的第五代（The Fifth Generation,5G）无线通信标准为波形设计与优化提供了机会，用来满足新业务需求。这包括提高移动宽带的吞吐量和时延体验，同时还引入了低时延高可靠业务（Ultra Reliable and Low Latency Communication, URLLC）的应用及海量物联网业务（massive Machine Type Communication, mMTC），它们均可缩放到更大数量的机器类型通信和人机交互服务。本书采用了多种评判标准——从最底层实现复杂度到用户和信号复用及其在网络层面的整体影响，全面评估了5G的候选波形设计。

3GPP在2016年正式开始5G新空口（New Radio, NR）的设计。始于3GPP最初有关5G新空口的几次会议，新型波形技术已被广泛地研究和评估。业界专家一致认为5G蜂窝系统应当具备更好的业务复用灵活性以及比目前4G LTE系统更高的频谱利用率。具体地说，可以预见，NR将采用不同参数的多种波形进行有效的带内复用以满足不同业务要求。例如，对于URLLC超低时延业务需要使用更短符号来减小信号传输时间，而对于mMTC这种时间同步要求较低的场景则更适合使用更长的循环前缀（Cyclic Prefix, CP）。采用不同参数的传统OFDM波形会丧失正交特性并有可能受到载波间干扰（Inter-Carrier Interference, ICI）的影响，因此研究者希望能够找到具有更好频率约束特性的波形。本书分析了为实现更好频率约束性的多种波形技术。同时，我们也认识到：最终信号的ICI不仅由位于基带的波形设计决定，也受到整个射频（Radio Frequency, RF）前端——特别是功率放大器（Power Amplifier, PA）非线性特征的严重影响。因此，位于基带的波形设计应同时考虑所有这些因素的影响以及实现复杂性。特别是从用户设备（User Equipment, UE）实现的视角来看，这个原则至关重要。

波形研究过程中另一被广泛讨论的话题是低峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio, PAPR）性能，它可使功率放大器工作在效率更高的工作点上。同时，更高的功率放大器效率可直接转化为更大的小区覆盖，或更低的UE功耗。由于6 GHz以下频率资源分配殆尽，可以预见未来大量的新分配给5G NR使用的频谱将来自于毫米波频段的非成对频谱，而这种场景下小区覆盖（或链路预算）通常更具挑战性。此外，出于重耕现有3G/4G频谱用于5G NR服务的考虑，人们非常希望NR至少能够达到现有3G/4G蜂窝系统的小区覆盖，从而使运营商可不重新规划蜂窝网络即可复用现有的基站。这些设计目标都强烈地预示着NR系统将采用低PAPR的波形。例如，5G NR上行链路将采用DFT-s-OFDM（Discrete Fourier Transform-spread-OFDM，离散傅里叶变换扩展OFDM）波形，特别是采用单流传输与低阶调制的小区边缘用户。

在本书完成之际，3GPP RAN1对5G NR波形的研究已经得到初步结论：在eMBB和URLLC场景下，下行波形将继续使用CP-OFDM，上行波形将同时采用CP-OFDM与DFT-OFDM。具体的系统设计仍在研究之中。本书试图客观地总结来自3GPP中各家公司的最新观察和讨论。本书的重要结论之一是对将被用于5G系统的波形从技术角度提供建议。文中的分析和结论部分都需要读者对5G的背景知识有所了解。因此，本书在第1章介绍了5G系统设计的背景知识，并在结尾提供了针对各种业务的解释（例如增强移动宽带的下行链路、上行链路、Mesh链路、海量物联网的上行链路和下行链路），之后相应地针对各类业务需求分别提出最为适合的波形。本书最后一章写成于标准制定之初，这者惊喜地发现3GPP的初步结论与本书的建议完全一致，这个结论也给予本书的作者很大鼓励。

作者

2017年3月于北京