基于5G的新型多載波傳輸技術對比

陳兆良

【摘要】 多載波傳輸技術將成為5G時代的核心任務，文章介紹了幾種新型多載波傳輸技術，包括通用濾波多載波、濾波器組多載波和廣義頻分復用技術。通過在具體的移動通信模擬傳輸中的效果對比，分析三種多載波技術的適用范圍。隨著我國移動通信的快速發展，5G的實現將成為一種必然，分析5G時期的多載波傳輸技術要點，并根據實際需求正確選擇多載波傳輸技術，將促進我國移動通信業的發展。

【關鍵詞】 多載波傳輸技術 5G技術 濾波器組多載波 技術對比

我國計劃于2020年實現5G通信，與4G時代相比，5G具有更高的通信效率，抗干擾能力更強，最重要的是，5G將實現全面的智能化，為用戶提供更優質、更豐富的服務。移動通信技術在我國發展迅速，其核心技術也將不斷的改革。在傳統的移動通信中，無線蜂窩網技術是主要的傳輸方式。但隨著虛擬技術的出現，一些新興的傳輸技術將逐漸代替無線蜂窩網技術，如物聯網技術、虛擬現實技術等。一些技術已經在其他行業開始應用，在移動通信行業的應用將體現在其技術更新上。世界各國也將實現5G通信列入國家發展綱要，多載波傳輸技術將成為5G時代核心傳輸技術之一，4G時代的CP-OFDM技術將在共存一段時間后被取代，隨之而產生通用濾波多載波、濾波器組多載波和廣義頻分復用技術等技術。采用新型的多載波技術有效的促進了移動通信效率的提高，使其更加靈活，可以為用戶提供更多的服務。文章對三種主要的多載波技術進行分析和總結。

一、4G時期的CP-OFDM缺陷

在4G通信網中，CP-OFDM能夠提高系統的抗干擾能力，并且支撐4G的寬帶頻譜，具有積極作用。但是進入5G時代，通信效率將極大的提高，此時采用使用CP-OFDM系統已經不能適應5G時代需求，應采用智能化程度更高的多載波技術。為了便于多載波技術的設計與發展，筆者基于5G的發展特點，對CP-OFDM的缺陷做如下分析。

首先：靈活性問題。5G網絡將實現端對端傳輸，并且要求傳輸延時低于1ms，但是4G時期的CP-OFDM基本不能達到這一要求，系統無法在短時間內提供施與符號，傳輸間隔也大于要求。CP-OFDM技術還無法滿足5G時代的帶寬需求。對于物聯網而言，更是屬于短包類突發式通信業務，對帶寬配置有較高的需求，一般需要比較窄的子載波，才能使時域符號和TTI足夠長，5G時期的物聯網幾乎無延遲，因此不再使用CP。這也使得CP-OFDM的靈活性存在明顯的不足，需要采用新的技術，提高其靈活性，通過改變性能和參數來改變其靈活性問題，但是這一技術依然處于理論階段，實現尚需要一定的技術支持。

其次：精確的同步。5G時代的OFDM技術采用正交的子載波間，可以實現精確同步。但是目前的4G技術并不能滿足這一需求，但是對于物聯網而言，采用太多的同步將使網絡信令增多，最終造成網絡阻塞，影響網絡運行速度。因此，未來將增加異步傳輸技術，主要解決電力問題和信道阻塞問題。此外，在對零散頻段的利用上，受到技術的影響，依然無法實現分散頻段的使用。但是隨著增大的移動通信需求，CP-OFDM的瓣功率泄露較，使載波之間的干擾增大，因此依然無法滿足分散頻段使用的需求，未來將研發一種能夠將零散頻率應用起來的通信技術，下文我們將幾種滿足5G時期的通信傳輸技術進行分析。

二、幾種5G 新型多載波傳輸技術的應用

基于上文研究，我們知道4G時期的CP-OFDM技術無法滿足5G發展的需求，目前5G實現上存在一定的困難，但是我們堅信5G的實現具有可行性。目前，相關專家研究的集中于新型的多載波傳輸技術對于5G的實現具有積極意義。其中，我國已經研究并且預計可以使用的技術為通用濾波多載波、濾波器組多載波和廣義頻分復用。當然，這些技術是否能夠實現，如何實現都值得研討。下文我們就將三種新型的多載波技術進行分析，對比其與傳統技術的差別，并且對技術缺陷進行改進，旨在早日推行5G通信模式，滿足快速發展的移動通信需求。

2.1通用濾波多載波

在4G通信網時代，FBMC濾波器的幀長無法滿足短距離通信業務，而我們對于5G的分析中發現，短包技術將占據較大的一部分通信，因此對該技術的革新就成為一種必然。通用濾波多載波（UFMC）是對4G時代的FBMC技術的一種革新，是將若干個連續的子載波進行濾波操作，UFMC實際上就是考慮了多種FBMC 傳輸情況，當每組中子載波數為1時，傳輸方式為FBMC傳輸，基于此我們將其稱之為通用濾波的OFDM，該技術很好的解決了傳統FBMC系統的幀長問題。UFMC不再使用循環前綴，因此自帶的寬度直接決定了濾波器的長度。這樣可以根據需求來設置寬帶的長度，可以滿足不同用網需求，使移動通信網絡配置更加靈活。總之，UFMC是對FBMC的更新，它不僅具有FBMC系統所有的優點，還可以在這一基礎上支持更多的通信業務，最重要的是解決了FBMC無法支持短包類業務的弊端。

2.2濾波器組多載波

器組多載波（FBMC）系統由發送端的綜合濾波器組和接收端的分析濾波器共同構成。信號從分析濾波器來，并將其分成若干個字帶信號。由綜合濾波器組完成自帶信號的重組和輸出過程，也就是說，FBMC的兩個系統屬于互為逆向結構關系。二者共同組成了原型濾波器，并通過頻移建立函數獲得其他的濾波器。接收端輸入數據是將從發射端傳輸的數據進行轉化和系列抗干擾處理后進入多相濾波器組，并通過相應的逆變換恢復原始數據。在4G環境中，主要采用正交頻率的傳輸軟件，但是新型濾波器可以自動調節帶寬，也就是根據需求設置帶寬，因此不再需要以正交的方式存在，其優勢是靈活性更高，但是不同的子載波之間的互相干擾增大，因此需要使用OQAM數據處理方式，這種方式通過相同的FFT碼率來降低相鄰子載波之間的干擾。FBMC濾波器將是未來一段時間內技術人員攻克的要點，但是目前僅集中于頻譜感知或認知無線電上，實現這一技術能夠將零散的頻段合理的利用，最終提高通信網的運行效率，降低寬帶外泄露現象的發生概率，通過非正交的運行方式也使得小頻率可以使用。

2.3廣義頻分復用技術

廣義頻分復用（GFDM）技術也是一種新的多載波傳輸技術，具有信號接收方式簡單、帶外功率泄露小、無需正交傳輸等優勢，并且該技術對干擾的控制更加理想。將若干個時隙和子載波上的符號作為一幀，通過一組濾波器的設計加上Tailbiting功能來完成發送端的濾波轉化為循環卷積，節省了發送濾波器拖尾消耗的CP長度。與傳統的技術不同，GFDM是將每個子載波上都加上CP，接收端則利用一階頻域均衡，在Double-SIC技術的支持下，降低了干擾，徹底的消除了ICI。發送過程中的Tailbiting不僅降低了CP開銷，還可以通過FFT功能來使計算復雜度降低，使信號傳輸更加順暢。其中所謂N倍內插，就是指在系統的頻域范圍內，將M點FFT的結果復制N次。GFDM濾波器的設計與FBMC具有相同之處，一般是依照原型低通濾波器而設計，因此在功能和特點上也具有一定的共同點。CP的作用在于使多徑信道等同于循環卷積信道，因此接收機部分可使用頻域單點均衡，這一點則與傳統的OFDM技術相似。

UFMC技術是對傳統技術和FBMC技術的更新，該技術的優勢更加明顯，但是由于不使用CP，因此對于短時間的不重合性更加敏感，對零散的頻譜的利用率不高。如果當地基站較多，用網需求較大時，采用該技術無法實現將零散頻率的收集，也就無法提高頻率的拓寬。因此不應用這一場合，一般是將該技術和FBMC技術結合使用。隨著對我國移動通信發展的研究，技術人員通過研究提出了廣義頻分復用（GFDM）技術。在其原理設計中，我們對其進行分析，進一步確定了其優勢，其中，GFDM根據不同類型的業務與應用對空口的要求，實現脈沖成型濾波器的隨意選擇，這樣可以將不同類型的CP，發揮CP在系統中的重要作用，該算法也較簡單，由于其具體信號頻域稀疏性特征，因此采用的計算方式和接收方式均較為簡單。此外GFDM設置獨立的塊調制，通過配置不同的子載波與子符號，提高了其靈活性，提供多樣化的業務。GFDM的子載波利用有效的原型濾波器濾波，在頻率和時間域被循環移位，從而減少了帶外泄漏，是目前技術下可以開發的的最先進的多載波技術，也將成為5G核心技術，與MIMO多天線等基本技術一起發揮積極的作用，提高移動通信效率。

三、總結

多載波傳輸技術是未來5G的核心技術，本文重點介紹了三種通用濾波多載波、濾波器組多載波和廣義頻分復用技術。三種新型技術各具優勢，其中廣義頻分復用技術對零散的頻譜的利用率不高，但是抗干擾能力更強，并且更好的減少了帶外泄露。未來技術人員將進一步研究移動通信多載波技術，將先進的技術應用于5G中，得到5G預計的傳輸速度和網絡運行速度，并且將干擾降到最低，促進移動業的發展。

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