5G通信技術

施亮

【摘要】 隨著科學技術不斷發展，5G的研發投入越來越大，5G的進程不斷的加快，5G的研發也是具有十分重要的意義的。

【關鍵詞】 移動通信 5G優勢 5G難點

一、引言

5G的發展區域成熟，然而5G存在哪些技術優勢和特點值得我們去研究和推廣呢？下面進行闡述。

根據目前的共識，5G系統應具備的特征：容量較4G（LTE-A）提高1000倍以上，頻譜效率和能耗、傳輸時延、系統安全和用戶體驗顯著提高。同時5G可以為機對機通信（M2M）等物聯網應用場景提供架構上的支持[1]。5G研究的幾個熱門話題：大規模天線陣列（Massive MIMO）、基于濾波器組的多載波技術（Filterbank Multicarrier，FBMC）、全雙工復用、超密集網絡、自組織網絡、軟件定義網絡及內容分發網絡。個人對前兩個東西有一定了解（在實驗室耳濡目染的結果），下面大致說說二者在研究上的難點。（理論問題才是問題，硬件不是5G的瓶頸）

二、MIMO多天線技術

大規模MIMO大規模MIMO帶來的好處是：第一、空間分辨率與現有MIMO 相比顯著增強， 能深度挖掘空間維度資源， 使得網絡中的多個用戶可以在同一時頻資源上利用大規模 MIMO 提供的空間自由度與基站同時進行通信， 從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率[2]；第二，、大規模 MIMO 可將波束集中在很窄的范圍內， 從而大幅度降低干擾。第三、可大幅降低發射功率，從而提高功率效率。 第四， 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， 并且噪聲和不相關干擾都可忽略不計。總之，基站處天線數增多帶來的不僅是量變，而是產生了質變——為什么質變，有興趣可以看看Mazetta關于Massive MIMO的開山之作中的數學證明。那么大規模MIMO的研究難點在哪里？我準備從4個小方面舉例說明。1）信道建模。LTE研究中常用的SCM模型和WINNER II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。還有比如平面波建模還是球面波建模，raytracing 還是 geographic-based model等等，都需要嚴格地確定。這是一項臟活累活。難。2）空分多址方案。簡單說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。華為有了個稀疏多址（Sparse Code Multiple Access，SCMA），大唐有了個圖樣多址（Pattern Division Multiple Access，PDMA）[3]。國際上最具潛力的是大規模MIMO下的空分多址。這是5G無線接入性能成百上千倍提高的關鍵，當然難。3）信道估計、導頻。上下行鏈路的數據傳輸需要對信道進行估計，天線數過多，需要估計的量也會過對導致開銷過大。看看有多少paper在討論這個導頻開銷、導頻污染問題就知道了。解決不了信道估計，大規模MIMO也只是紙上談兵。4）接收機。不是說弄個nb的信源編碼+信道編碼就能解決問題了，放個turbo就能在實際系統里逼近容量，不太現實。

三、基于濾波器組的多載波

基于濾波器組的多載波研究這個主要是要替代OFDM。你沒聽錯，由于5G中以下應用場景，OFDM的缺點暴露無遺，應當獲得解決。5G的應用場景是：海量節點的M2M通信、頻譜碎片化的現狀、低延時應用的需求、異構網絡的融合需求[4]。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，在小區存在海量傳感節點時同步的代價將難以承受；（OFDM對同步的高要求使得其無法應用在上行，所以LTE上行采用的是SCFDMA）第二，其采用方波作為基帶波形，載波旁瓣較大，難以利用碎片頻段；第三，其使用的循環前綴（CP）長度僅與無線信道有關，所以在頻繁傳輸短幀時CP會造成無線資源的大量浪費[5]。但是，替代OFDM談何容易。首先要保持其優點：計算量小（FFT實現）、易于與MIMO結合（頻域單點均衡，使子載波并行處理成為可能）；同時要克服其缺點。目前學界的方案主要是FBMC，GFDM等，但是誰也沒有解決根本問題。直到現在也沒看到論文發出來說自己的方案能搞定均衡、信道估計。基本都是在外圍繞圈子，討論子帶濾波器設計這些邊邊角角的問題（目前最好的設計方法可能是IOTA）。難點在于這是一個數學問題，而且很難表述，更難求解，更不要說證明……

結語：人們對動互聯網的要求是更高速、更便捷、更強大、更便宜，需求的“更”是沒有止境的，這促使著移動互聯網技術突飛猛進，技術體制的更新換代也隨之越來越快。很多用戶剛剛踏入4G的門檻，5G時代很快就要來到了。

5G 將會開啟一個新時代，一個無線網絡與每個人都息息相關的時代。據悉，5G將在2021年前后實現商用，屆時人們的生活將變得更快、更便捷。

參 考 文 獻

[1] 5G主要關鍵技術探討[J]. 王建軍，張玉娟. 科技創新導報. 2016（33）

[2] 5G移動通信相關技術與國內發展趨勢展望[J]. 楊隨虎. 自動化與儀器儀表. 2016（11）

[3] 第五代移動通信系統5G標準化展望與關鍵技術研究[J]. 周一青，潘振崗，翟國偉，田霖. 數據采集與處理. 2015（04）

[4] 5G與LTE雙連接技術架構選擇[J]. 孟穎濤. 移動通信. 2017（02）

[5] 5G業務需求分析及技術標準進程[J]. 王志勤，羅振東，魏克軍. 中興通訊技術. 2014（02）