5G關鍵新技術淺析

陳圳

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5G關鍵新技術淺析

陳圳

中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410000

隨著技術發展；新的需求不斷被創造；人們對通信網絡的需求與日俱增。第五代移動通信（5G）的需求也逐漸明確，因此基于現有技術的潛在5G可運用的新技術也成為研究發展的核心。其中包括費政教多址接入、D2D通信、大規模MIMO、超密集組網等。

5G；新技術；非正交多址接入

1 非正交多址接入技術

非正交多址技術（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）的原理是在發送端采用非正交發送，人為引入干擾，在接收端通過串行干擾刪除（SIC）接收機來正確解調。

NOMA的子信道傳輸采用正交頻分復用（OFDM）技術，這是一個4G的基礎技術，子信道之間是正交的，因此就互不干擾，但是一個子信道上不再只分配給一個用戶，而是分給了多個用戶共享。而同一子信道上不同用戶之間是非正交傳輸，這樣會造成用戶間的干擾，也就因此，在接收端要采用SIC技術進行多用戶檢測。由于子信道分配了多個用戶，因此這一技術可擴大容量，此外還有干擾低、適合高速移動的優點。

2 D2D通信

D2D（Device to Device）主要用于拓展網絡連接、接入方式，無需借助基站，實現通信終端之間直接通信。由于直接通信，距離更短，信道質量就更高，能實現較高的數據速率、較低時延、較低功耗。通過分布各處的終端，能改善覆蓋。對于頻譜稀缺的移動通信，頻譜資源可以高效利用。更靈活的網絡架構和連接方法，提升了鏈路靈活性和網絡可靠性。就目前來說，D2D采用廣播、組播和單播技術，以后發展包括中繼技術、多天線技術、聯合編碼等擴展技術。

3 大規模MIMO

MIMO[1]是多輸入輸出。4G-LTE系統中一般是4、8根，而大規模MIMO可以達到上百根。這些天線以大規模陣列的方式集中放置，這樣一來，基站覆蓋范圍內，多用戶可在同一時頻資源上與基站同時通信，提升頻譜效率。其次，大規模天線帶來分集增益、陣列增益，可提升用戶與基站通信功率效率。當天線規模大時，一些隨機性會變得穩定，這就使得大規模MIMO和普通MIMO有區別，可以成為5G技術中一個實用的技術。

當然，大規模MIMO技術也存在一些技術上的挑戰。一是大規模MIMO信道模型問題，目前大部分研究都做了大規模MIMO信道是獨立同分布信道的假設，但這和實際情況并不完全相同，實際中信道能量往往集中在有限的方向上。二是導頻污染，在TDD大規模MIMO傳輸方案中，用戶向基站發送正交的導頻，基站估計上行信道，然后利用信道互易性來獲得下行信道參數。然而隨著用戶數目的增加，導頻開銷就增加。相互正交的導頻就變得不那么夠用，這就是所謂的“導頻污染”。此外還有，在多用戶傳輸技術方面，在有限的信道信息條件下實施下行預編碼和上行多用戶聯合接收等問題，都是現在大規模MIMO研究待解決等一些問題。

4 超密集組網

據估計，未來無線網絡將有現在10倍多的無線節點分布，因此5G中超密集組網會有很大發展前景，但其中還有不少亟需解決的問題。節點距離減少，網絡更加密集，拓撲就更復雜，干擾是必須面對的問題，主要會有同頻干擾、不同覆蓋層次間的干擾。現在的算法還難以應對。

可靠有效地感知臨近節點是實現大規模節點協作的前提。在超密集網中，密集的部署讓小區邊界數量劇增，同時形狀不規則導致頻繁復雜的切換。為滿足移動性需求，就需要更好的切換算法。此外，網絡動態部署的相關技術也是研究的重點。由于用戶部署的大量節點的開啟和關閉是有突發性和隨機性的，網絡拓撲和干擾會在大范圍動態變。；各小站中較少的服務用戶數就容易造成業務的空間和時間分布出現一些劇烈的變化。

5 軟件定義網絡

目前，無線網絡面臨異構問題的挑戰。商用的網絡里存在大量的異構網絡，如：LTE、WIMAX、UMTS、WLAN等等。這些異構無線網絡共存將持續相當長的一段時間。在制定標準時盡量統一，但仍然會存在新舊標準的兼容問題。這些問題困擾著運營商，增加著運營商乃至終端的成本。現在來說，異構無線網絡面臨的問題集中在互通，資源優化無線資源利用率不高。這些主要是因為現有移動網絡用的垂直架構設計，此外，網絡中的一對多模型無法針對不同服務特點提供專用定制的網絡保障，從而降低了網絡服務質量和用戶體驗。所以，在無線網絡中引入軟件定義網絡思想將有利于運營商升級網絡、用戶體驗的提升等。

6 毫米波通信

也可以稱為高頻段通信。現在所用的頻段資源是非常稀缺的，隨著移動通信的技術演進，載波頻率不斷升高。現有頻段已經十分吃緊。而毫米波頻段（3—60GHz）資源卻非常豐富，其帶寬高達273.5GHz。超過從直流到微波全部帶寬的10倍，尚未被充分開發利用。并且隨著基站天線規模增加，為了能夠在有限的空間內部署更多天線也要求通信的波長不能太長，毫米波的元件尺寸小。從而毫米波也是備選技術之一。毫米波具有波束窄、探測能力強、傳輸質量高、安全保密好等優點。此外，毫米波通信已經被寫進標準用于室內的多媒體高速通信。

7 結語

5G將擁有許多實用的新技術，是移動通信的又一里程碑。其容量、速度、抗擾必將更加優異，但目前也尚存需要繼續研究、解決的問題。在其正式商用前，通信業界還將繼續改善。

[1]焦慧穎.LTE-Advanced中的多用戶MIMO的標準化進展[J].現代電信科技，2010（3）：95-99.

陳圳（1996—），男，福建省，中南大學通信工程2013級本科生。

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1009-6434(2016)04-0043-01