淺談5G移動通信技術

孫智博

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淺談5G移動通信技術

孫智博

中南大學信息科學與工程學院，湖南 長沙 410000

隨著4G已經投入商用，但是日益增長的數據流量以及智能終端的普及，導致4G在容量、速率等方面，已經不能令人滿意。所以5G應運而生。回顧移動通信近年來的發展歷程，5G具有大容量、高速率、低時延的特點。5G采用的關鍵技術：大規模MIMO、毫米波通信、SDN、濾波器組多載波調制技術等。

5G；大規模MIMO；毫米波通信；SDN

1 發展背景

近幾十年來，移動通信行業發展迅猛，從第一代移動通信發展到現在以OFDM核心技術為主的第四代移動通信，人們不斷享受著科技進步給生活帶來的精彩的同時，對5G更加期待。對于5G的需求，主要分為以下兩個方面：網絡需求和用戶體驗。從網絡需求的角度來看，以下幾點需求比較關鍵：（1）更大容量；（2）多網融合；（3）容易部署；（4）運營簡單；（5）節約能源，提高效率。

用戶需求是通信行業發展的推動力，從用戶需求的角度來看：（1）更快的速度；（2）更低的時延；（3）更加大的覆蓋范圍；（4）更好的移動性。5G移動通信的出現，將會加快通訊行業與其他行業的融合，更好地提升用戶體驗，使人們可以無時不刻地使用無線設備來進行即時互動。這樣，使得更加多的“物體”連入網絡，整個社會更加智能化，推動社會發展。

2 主要技術

（1）大規模MIMO。大規模MIMO通過在基站收發信機上使用超過64根天線，以此實現了更大的無線數據流量和連接可靠性。這種方式從根本上改變了現有標準的基站收發信機架構。由于通過的天線單元進行通信，大規模MIMO可以通過預編碼技術集將能量集中到目標移動終端上，從而降低了輻射功率。[1]

（2）毫米波通信。由于當今通信所用的頻譜資源十分短缺，但是毫米波頻段（3GHz～60GHz）資源很豐富，還未被充分利用，并且隨著基站天線數目越來越多，密度越來越大，為了在有限空間內部署更加多的天線，只能減短天線長度，所以通信的波長也不能太長，所以毫米波切合需求。

（3）軟件定義網絡SDN。該技術主要是將控制與轉發分離，只需要在網絡硬件設備的底層進行轉發，在上層進行控制，進而將整個網絡都實現可編程化。[2]

（4）基于濾波器組多載波調制技術。這一技術常見的有FBMC/UF-OFDM/GFDM/BFDM等。其實都是OFDM（正交頻分復用）的改進，而OFDM技術雖好，但也存在頻譜旁瓣高、對同步性要求高的缺點。且隨著物聯網、機器與機器間通信的普及，通信會對異步要求越來越高。基于這些，上述新型多載波技術的發展也是相當必要的。

（5）致密組網和異構網絡。該技術是為了適應不斷增大的小區密度，從而增大系統容量、頻譜復用率等。滿足更多的用戶需求，提升用戶體驗。

（6）認知無線電。在不改變現有頻譜分配的情況下，為了在有限的頻譜內提供頻譜動態接入的機制，進而提供更為高效的頻譜利用率，我們引入頻譜共享技術。目前，發展最為迅速的頻譜共享技術就是認知無線電技術。它具有靈活、智能、可重配置等優良特性，通過感知外界環境特點，并從環境中不斷學習，有目的地實時改變一些操作參數，從而可以實現任何時間、任何地點的高可靠性通信以及對有限的無線頻譜資源進行高效利用。認知無線電的主要思想就是通過頻譜感知和系統的智能學習能力，從而實現動態利用頻譜和頻譜分享。認知無線電中，次級用戶通過動態地搜索頻譜空穴進行通信，這種技術稱為動態頻譜接入。當主用戶已經占用某個授權頻段時，次級用戶必須立刻從該頻段退出，去搜索其他空閑頻段完成自己的通信。

3 難點技術

個人認為大規模MIMO和基于濾波器組的多載波比較難實現。大規模MIMO帶來的好處是：（1）空間分辨率與現有MIMO 相比顯著增強，使得網絡中的多個用戶可以在同時在同一個頻率資源上與基站同時進行通信，從而提高信道容量；（2）大規模 MIMO 可將無線電集中在很窄的范圍內，從而大幅度降低干擾。（3）可大幅降低發射功率，從而提高功率效率。（4）當天線數量足夠大時，最簡單的線性預編碼和線性檢測器趨于最優狀態，并且噪聲和不相關干擾都可忽略不計。但是也存在以下難點：（1）如何給信道合理建模。LTE研究中常用模型需要修正。而成熟的信道模型是要經過大量的外場實測得出一些參數，然后用于計算機仿真。（2）空分多址方案。就是如何對一個大維矩陣在某個域內稀疏化，從而挖掘空間資源。（3）信道參數估計。上下行鏈路的數據傳輸需要對信道參數進行估計，天線數目過多，需要估計的量也會過多，導致開銷過大。

基于濾波器組多載波調制技術正是為了代替OFDM。OFDM的以下缺點使其難以滿足新場景下的需求：第一，各子載波之間必須同步以保持正交性，在小區存在很多傳感節點時，高要求的同步的代價將很難做到；第二，OFDM采用方波作為基帶波形，載波旁瓣較大，難以利用碎片頻段。所以，基于濾波器組多載波調制技術就是要解決OFDM的缺陷之處，但是替代OFDM談何容易。

[1]秦飛，康紹麗.融合、演進與創新的5G技術路線[J].電信網技術，2013（9）：10.

[2]王佩，陳金鷹，喻恒彥.5G進展與關鍵技術分析[J].通信與信息技術，2015（6）：57-58.

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1009-6434（2016）04-0080-01