5G普及后值得關(guān)注的四大無線技術(shù)

5G NR是一個(gè)矛盾的綜合體，容量與覆蓋難以兼得。5G通過擴(kuò)展頻譜帶寬來提升系統(tǒng)容量，頻段范圍從4G時(shí)代的3GHz以下擴(kuò)展到毫米波頻段，單載波帶寬從20MHz提升到100MHz以上。但頻段越高，基站覆蓋范圍越小，運(yùn)營(yíng)商也因此不得不建設(shè)更多基站。

目前，主流5G部署采用5G中頻段，其折中了容量與覆蓋優(yōu)勢(shì)，兼顧了室外與室內(nèi)覆蓋，并通過Massive MIMO技術(shù)進(jìn)一步提升了小區(qū)容量和覆蓋，讓運(yùn)營(yíng)商可以基于現(xiàn)有4G站址建設(shè)一張廣覆蓋的5G網(wǎng)絡(luò)。但面向未來流量成倍增長(zhǎng)，單靠有限的中頻段資源肯定是不夠的，為此運(yùn)營(yíng)商必須擴(kuò)展到毫米波頻段，但毫米波信號(hào)覆蓋范圍不過一兩百米，根本無法從室外抵達(dá)室內(nèi)，這給網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資帶來了空前的壓力。

目前，唯有通過技術(shù)創(chuàng)新，不斷提升頻譜效率，讓單位頻譜能夠承載更多的流量，盡可能讓5G部署又好又省。下面介紹目前值得關(guān)注的四大無線技術(shù)。

一、NOMA

多址接入是移動(dòng)通信的核心技術(shù)，從1G到5G，我們經(jīng)歷了FDMA、TDMA、CDMA和OFDMA，這些多址接入方案都采用正交設(shè)計(jì)，來避免多用戶之間互相干擾。移動(dòng)通信領(lǐng)域一直致力于通過無線電波的正交性來提升頻譜效率，我們已經(jīng)采用了頻分、時(shí)分、空分、碼分等各種正交辦法，但當(dāng)正交空間耗盡時(shí)，我們?cè)撛趺崔k？此時(shí)，新的技術(shù)產(chǎn)生了，它就是NOMA。NOMA，即非正交多址，是一種計(jì)劃用于5G（R16版）的多址技術(shù)，可顯著提升移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。

眾所周知，4G和目前5G采用的是OFDMA（正交頻分多址），每個(gè)用戶占用的時(shí)頻資源是分開的、相互正交的，由于受正交性的約束，每個(gè)UE分配一定的子載波，每個(gè)UE占用部分頻率資源。而NOMA與OFDMA不同，它基于非正交性設(shè)計(jì)，每個(gè)UE都可以使用所有的頻率資源。

那么，NOMA是如何避免多用戶之間的互干擾呢？

NOMA的基本思想是在發(fā)送端將多個(gè)UE信號(hào)疊加，占用所有時(shí)頻資源，并通過空口發(fā)送，而在接收端，基于MUD（多用戶檢測(cè)）和SIC（串行干擾消除）技術(shù)來逐個(gè)解碼信號(hào)，提取有用的信號(hào)。

NOMA主要有兩種方式：基于碼域和基于功率域。基于碼域，即為每個(gè)用戶分配非正交擴(kuò)展碼（與WCDMA碼相似，不同之處在于WCDMA碼是正交的）。基于功率域，即在發(fā)送端每個(gè)用戶信號(hào)以不同的功率電平疊加。

以基于功率域的NOMA方案為例，其工作原理如下圖。

三個(gè)UE信號(hào)被分配不同的功率電平，距離基站最近的UE1信道條件最好，被分配最低的功率，而距離基站最遠(yuǎn)的UE3被分配最高的功率，處于中間位置的UE2被分配適中的功率。

在基站發(fā)送端，UE1、UE2和UE3都占用相同的時(shí)頻資源，三者的信號(hào)在功率域進(jìn)行疊加，并通過空口發(fā)送。

在UE接收端，SIC首先解碼接收信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的信號(hào)，比如UE1，由于分配給它的功率遠(yuǎn)低于UE3，它可能會(huì)首先解碼UE3的信號(hào)，并通過MA簽名判斷是否為自己的有用信號(hào)，如果不是，則刪除UE3的信號(hào)，接著再重復(fù)該過程，直到找到自己可使用的信號(hào)為止。

而對(duì)于UE3，由于分配給它的功率高于UE1和UE2，其第一個(gè)解碼的信號(hào)可能就是自己可使用的信號(hào)，因此可以直接解碼得到。

由于NOMA將所有的空口資源分配給了所有用戶，因此可以提升頻譜效率。尤其在小區(qū)邊緣，由于無線環(huán)境差，采用正交多址的5G網(wǎng)絡(luò)只能采用稀疏的調(diào)制和編碼來克服信道受損，這會(huì)導(dǎo)致PRB資源“浪費(fèi)”。但在NOMA中，所有用戶使用所有PRB資源，無論處于小區(qū)中心還是邊緣都一樣，從而提升了頻譜效率。

值得一提的是，NOMA還可以與Massive MIMO結(jié)合使用。在Massive MIMO下，可在廣播波束范圍內(nèi)將一個(gè)物理扇區(qū)分裂為多個(gè)虛擬扇區(qū)，虛擬扇區(qū)服務(wù)的用戶采用NOMA，由于虛擬扇區(qū)之間是正交的，從而還可使系統(tǒng)容量進(jìn)一步翻倍提升。

不過，NOMA也存在自身的挑戰(zhàn)。首先，MUD/SIC不但需要額外的計(jì)算，而且需要更強(qiáng)的硬件支持，并產(chǎn)生更高的能耗。雖然對(duì)于基站端來說不是問題，但對(duì)終端就會(huì)增加使用成本和耗電量。其次，在NOMA下，基站要為所有的UE進(jìn)行分組分配功率，這要求基站必須準(zhǔn)確的了解各個(gè)UE的信道狀況。

二、全雙工

5G采用TDD雙工模式，4G時(shí)代包括TDD和FDD，但嚴(yán)格地說，TDD和FDD都只是“半雙工”，因?yàn)門DD在同一頻段上的不同時(shí)隙傳輸上下行信號(hào)，F(xiàn)DD在兩個(gè)對(duì)稱頻段上分別傳輸上下行信號(hào)。

而全雙工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在同一頻段下同時(shí)進(jìn)行上下行信號(hào)傳輸（同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)），這無疑可大幅提升頻譜效率。同時(shí)，由于全雙工在同一時(shí)間收發(fā)數(shù)據(jù)，發(fā)送完數(shù)據(jù)即可接收反饋信息，這還能縮短傳輸時(shí)延。

但全雙工遇到的最大挑戰(zhàn)來自發(fā)射信號(hào)時(shí)對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)大的自干擾。比如在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)射功率可高達(dá)幾十瓦，而接收功率只有幾皮瓦，這意味著，發(fā)射產(chǎn)生的干擾信號(hào)比接收到的有用信號(hào)可能強(qiáng)數(shù)十億倍。

由上圖所示，由于雙工器泄露、天線反射、多徑反射等因素，發(fā)射信號(hào)摻雜進(jìn)接收信號(hào)，產(chǎn)生了強(qiáng)大的自干擾。

怎樣消除這些干擾呢？幸運(yùn)的是，由于發(fā)射信號(hào)是已知的，那么就可以用發(fā)射信號(hào)作為參考來消除自干擾。但是，參考信號(hào)在數(shù)字域比較容易獲得，當(dāng)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，由于線性失真和非線性失真的影響，就很難從中獲得參考。因此，全雙工要消除自干擾，RF域是最大的挑戰(zhàn)。目前自干擾消除技術(shù)正在不斷進(jìn)步，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和成本太高。

解決該問題的辦法是，分離發(fā)射和接收天線，將它們彼此間隔安裝，再通過天線旁瓣抑制等辦法來實(shí)現(xiàn)去耦，再加上空間路徑損耗，這樣可以大大減少自干擾。

不過，這種辦法在基站端可行，但在終端由于受限于空間，是不可行的。因此，最終全雙工技術(shù)可能會(huì)在基站側(cè)部署，而終端側(cè)或?qū)⒗^續(xù)采用TDD雙工技術(shù)。

三、OAM

除了時(shí)間、頻率和極化以外，還有新的可利用的無線電波正交狀態(tài)嗎？那就是電磁輻射的軌道角動(dòng)量OAM。

受螺旋相位因子的影響，具有OAM的電磁波被稱為“渦旋電磁波”，沿著傳播方向呈螺旋狀。具有OAM的電磁波的相位旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)稱為OAM模式。具有不同OAM模式的無線電波相互正交，互不干擾，因此在同一頻點(diǎn)上可傳輸多路調(diào)制在不同的OAM模式上的信號(hào)，從而提升頻譜效率。理論上講，有幾十個(gè)不同的OAM值調(diào)制無線信號(hào)，可以有效地將頻譜效率提升幾十倍。

但是，到目前為止，OAM的實(shí)際演示僅限于近場(chǎng)應(yīng)用。大氣湍流會(huì)使無線電波的OAM失真，引起串?dāng)_，因此OAM要應(yīng)用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)還有很多工作要做。

四、機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)可用于優(yōu)化5G空口，來提高頻譜效率。

5G NR的所有層都可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)來優(yōu)化。比如，機(jī)器學(xué)習(xí)可優(yōu)化物理層的調(diào)制、FEC、MIMO、信號(hào)檢測(cè)、功控和波束賦形，機(jī)器學(xué)習(xí)可優(yōu)化層二的調(diào)度、HARQ和流量控制，機(jī)器學(xué)習(xí)還可優(yōu)化層三的移動(dòng)性管理、負(fù)載管理和連接管理等。機(jī)器學(xué)習(xí)，尤其是深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)，可以基于流量狀況和無線環(huán)境動(dòng)態(tài)地做出優(yōu)化決策，以使網(wǎng)絡(luò)始終保持最佳狀態(tài)。

以調(diào)制方式為例，更高階的調(diào)制方式可以提升傳輸速率，比如，在4G時(shí)代我們希望所有的UE都能最大化使用256QAM，以獲得更好的頻譜效率。但在現(xiàn)實(shí)中這是不可能的，因?yàn)殡S著SINR降低（比如UE位于小區(qū)邊緣時(shí)），越高階的QAM星座圖會(huì)失真，使得接收端越難解調(diào)。而有了機(jī)器學(xué)習(xí)后，可以通過學(xué)習(xí)復(fù)雜的失真模式，來實(shí)現(xiàn)以較低的SINR解調(diào)更高階的調(diào)制方式，從而可提升系統(tǒng)的頻譜效率。