5G關鍵技術淺談

田忠驛

（網優雇傭軍工作室，重慶 400065）

5G關鍵技術淺談

田忠驛

（網優雇傭軍工作室，重慶 400065）

對目前討論較為廣泛的一些5G技術進行整理并簡要做了介紹，文章中所討論的5G技術主要集中于無線空口部分，相信未來5G的關鍵技術也會集中于無線空口部分。

5G 非正交多址接入技術 濾波組多載波技術 毫米波

1 引言

未來的網絡將會面對1 000倍的數據容量增長，10到100倍的無線設備連接，10到100倍的用戶速率需求，10倍的電池續航時間需求等。坦白地講，4G網絡無法滿足這些需求，所以5G必須登場。

5G的關鍵技術集中在無線部分。雖然5G最終將采用何種技術目前還沒有定論。不過，綜合目前業內廣泛談論的一些焦點，本文收集了5G的八大關鍵技術。當然，應該遠不止這些。

2 非正交多址接入技術

3G采用直接序列碼分多址（Direct Sequence CDMA，DS-CDMA）技術，手機接收端使用Rake接收器，由于其非正交的特性，需要使用快速功率控制（Fast Transmission Power Control，TPC）來解決手機和小區之間的遠近問題。

4G網絡則采用正交頻分多址（OFDM）技術，OFDM不但可以克服多徑干擾問題，而且和MIMO技術配合，極大地提高了數據傳輸速率。由于多用戶正交，手機和小區之間就不存在遠近問題，快速功率控制就被舍棄，采用AMC（自適應編碼）的方法來實現鏈路自適應。

非正交多址接入技術（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）希望實現的是，重拾3G時代的非正交多用戶復用原理，并將之融合于現在的4G OFDM技術之中。

從2G、3G到4G，多用戶復用技術無非就是在時域、頻域、碼域上做文章，而NOMA在OFDM的基礎上增加了一個維度——功率域。新增這個功率域的目的是，利用每個用戶不同的路徑損耗來實現多用戶復用。3G/4G/5G多址技術比較如表1所示：

表1 3G/4G/5G多址技術比較

實現多用戶在功率域的復用，需要在接收端加裝一個SIC（持續干擾消除）。通過這個干擾消除器，加上信道編碼（如Turbo Code或低密度奇偶校驗碼等），就可以在接收端區分出不同用戶的信號。UE接收端利用SIC的NOMA基本原理如圖1所示：

圖1 UE接收端利用SIC的NOMA基本原理

NOMA可以利用不同路徑損耗的差異來對多路發射信號進行疊加，從而提高信號增益。它能夠讓同一小區覆蓋范圍的所有移動設備都能獲得最大的可接入帶寬，可以解決由于大規模連接帶來的網絡挑戰。

NOMA的另一個優點是，無需知道每個信道的CSI（信道狀態信息），從而有望在高速移動場景下獲得更好的性能，并能組建更好的移動節點回程鏈路。

3 濾波組多載波技術（FBMC）

在OFDM系統中，各個子載波在時域相互正交，它們的頻譜相互重疊，因而具有較高的頻譜利用率。OFDM技術一般應用在無線系統的數據傳輸中，在OFDM系統中，由于無線信道的多徑效應，從而使符號間產生干擾。為了消除符號間干擾（ISl），在符號間插入保護間隔。插入保護間隔的一般方法是符號間置零，即發送第1個符號后停留一段時間（不發送任何信息），接下來再發送第2個符號。在OFDM系統中，這樣雖然減弱或消除了符號間干擾，由于破壞了子載波間的正交性，從而導致了子載波之間的干擾（ICI）。因此，這種方法在OFDM系統中不能采用。在OFDM系統中，為了既可以消除ISI，又可以消除ICI，通常保護間隔是由CP（Cycle Prefix，循環前綴來）充當。CP是系統開銷，不傳輸有效數據，從而降低了頻譜效率。

OFDMA與FBMC原理比較如圖2所示：

圖2 OFDMA與FBMC原理比較

FBMC利用一組不交疊的帶限子載波實現多載波傳輸，FMC對于頻偏引起的載波間干擾非常小，不需要CP，較大地提高了頻譜效率。

OFDM和FBMC波形對比如圖3所示。

4 毫米波

什么叫毫米波？頻率30GHz到300GHz，波長范圍10mm到1mm。

由于足夠量的可用帶寬，較高的天線增益，毫米波技術可以支持超高速的傳輸速率且波束窄，靈活可控，可以連接大量設備。毫米波工作示意圖如圖4所示。

圖4中，藍色手機處于4G小區覆蓋邊緣，信號較差，且有建筑物（房子）阻擋，此時，就可以通過毫米波傳輸，繞過建筑物阻擋，實現高速傳輸。同樣，粉色手機同樣可以使用毫米波實現與4G小區的連接且不會產生干擾。當然，由于綠色手機距離4G小區較近，可以直接和4G小區連接。

圖3 OFDM和FBMC波形對比

5 大規模MIMO技術（Massive MIMO）

MIMO技術已經廣泛應用于Wi-Fi、LTE等。理論上，天線越多，頻譜效率和傳輸可靠性就越高。

大規模MIMO技術可以由一些并不昂貴的低功耗的天線組件來實現，為在高頻段上進行移動通信提供了廣闊的前景。它可以成倍提升無線頻譜效率，增強網絡覆蓋，增加系統容量，幫助運營商最大限度利用已有的站址資源和頻譜資源。

以一個20cm2的天線物理平面為例，如果這些天線以半波長的間距排列在一個個方格中，則如果工作頻段為3.5GHz，可部署16副天線；如果工作頻段為10GHz，可部署169根天線。大規模MIMO部署于天線物理平面示意圖如圖5所示。

3D-MIMO技術在原有的MIMO基礎上增加了垂直維度，使得波束在空間上三維賦型，避免了相互之間的干擾。配合大規模MIMO，可實現多方向波束賦型。

圖4 毫米波工作示意圖

6 認知無線電技術

認知無線電技術最大的特點就是能夠動態地選擇無線信道。在不產生干擾的前提下，手機通過不斷感知頻率，選擇并使用可用的無線頻譜。認知無線電工作示意圖如圖6所示。

圖5 大規模MIMO部署于天線物理平面

7 超寬帶頻譜

信道容量與帶寬和SNR成正比，為了滿足5G網絡Gbps級的數據速率，需要更大的帶寬。

頻率越高，帶寬就越大，信道容量也越高。因此，高頻段連續帶寬成為5G的必然選擇。得益于一些有效提升頻譜效率的技術（如大規模MIMO），即使是采用相對簡單的調制技術（如QPSK），也可以在1GHz的超帶寬上實現10Gbps的傳輸速率。

圖6 認知無線電工作示意圖

8 超密度異構網絡（Ultra-dense HetNets）

立體分層網絡（HetNet）是指，在宏蜂窩網絡層中布放大量微蜂窩（Microcell）、微微蜂窩（Picocell）、毫微微蜂窩（Femtocell）等接入點，來滿足數據容量增長要求。到了5G時代，更多的物-物連接接入網絡，HetNet的密度將會大大增加。

9 多技術載波聚合

3GPP R12已經提到載波聚合。未來的網絡是一個融合的網絡，載波聚合技術不但要實現LTE內載波間的聚合，還要擴展到與3G、Wi-Fi等網絡的融合。多技術載波聚合示意圖如圖7所示：

圖7 多技術載波聚合示意圖

多技術載波聚合技術與HetNet一起，最終將實現萬物之間的無縫連接。

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A Brief Discussion of 5G Key Technologies

TIAN Zhong-yi
(Hropt Studio, Chongqing 400065, China)

Several key 5G techniques widely discussed, which mainly focus on air interface, were classifi ed and introduced in this paper. It is believed that air interface will still be the major part of 5G key techniques in the future.

5G non-orthogonal multiple access fi lter bank multi-carrier millimeter wave

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.13.019

TN929.5

A

1006-1010(2015)13-0092-04

田忠驛. 5G關鍵技術淺談[J]. 移動通信, 2015,39(13): 92-95.

2015-06-29

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

田忠驛：畢業于電子科技大學，現任職于網優雇傭軍工作室，從事移動通信技術方面的研究。