5G通信技術(shù)

施亮

【摘要】 隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，5G的研發(fā)投入越來越大，5G的進(jìn)程不斷的加快，5G的研發(fā)也是具有十分重要的意義的。

【關(guān)鍵詞】 移動(dòng)通信 5G優(yōu)勢(shì) 5G難點(diǎn)

一、引言

5G的發(fā)展區(qū)域成熟，然而5G存在哪些技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)值得我們?nèi)パ芯亢屯茝V呢？下面進(jìn)行闡述。

根據(jù)目前的共識(shí)，5G系統(tǒng)應(yīng)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(shí)延、系統(tǒng)安全和用戶體驗(yàn)顯著提高。同時(shí)5G可以為機(jī)對(duì)機(jī)通信（M2M）等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景提供架構(gòu)上的支持[1]。5G研究的幾個(gè)熱門話題：大規(guī)模天線陣列（Massive MIMO）、基于濾波器組的多載波技術(shù)（Filterbank Multicarrier，F(xiàn)BMC）、全雙工復(fù)用、超密集網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)及內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。個(gè)人對(duì)前兩個(gè)東西有一定了解（在實(shí)驗(yàn)室耳濡目染的結(jié)果），下面大致說說二者在研究上的難點(diǎn)。（理論問題才是問題，硬件不是5G的瓶頸）

二、MIMO多天線技術(shù)

大規(guī)模MIMO大規(guī)模MIMO帶來的好處是：第一、空間分辨率與現(xiàn)有MIMO 相比顯著增強(qiáng)， 能深度挖掘空間維度資源， 使得網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)用戶可以在同一時(shí)頻資源上利用大規(guī)模 MIMO 提供的空間自由度與基站同時(shí)進(jìn)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(guī)模 MIMO 可將波束集中在很窄的范圍內(nèi)， 從而大幅度降低干擾。第三、可大幅降低發(fā)射功率，從而提高功率效率。 第四， 當(dāng)天線數(shù)量足夠大時(shí)， 最簡(jiǎn)單的線性預(yù)編碼和線性檢測(cè)器趨于最優(yōu)， 并且噪聲和不相關(guān)干擾都可忽略不計(jì)。總之，基站處天線數(shù)增多帶來的不僅是量變，而是產(chǎn)生了質(zhì)變——為什么質(zhì)變，有興趣可以看看Mazetta關(guān)于Massive MIMO的開山之作中的數(shù)學(xué)證明。那么大規(guī)模MIMO的研究難點(diǎn)在哪里？我準(zhǔn)備從4個(gè)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(jīng)過大量的外場(chǎng)實(shí)測(cè)得出一些參數(shù)，然后用于計(jì)算機(jī)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(yán)格地確定。這是一項(xiàng)臟活累活。難。2）空分多址方案。簡(jiǎn)單說就是如何對(duì)一個(gè)大維矩陣在某個(gè)域內(nèi)稀疏化，從而挖掘空間資源。華為有了個(gè)稀疏多址（Sparse Code Multiple Access，SCMA），大唐有了個(gè)圖樣多址（Pattern Division Multiple Access，PDMA）[3]。國(guó)際上最具潛力的是大規(guī)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(guān)鍵，當(dāng)然難。3）信道估計(jì)、導(dǎo)頻。上下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸需要對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，天線數(shù)過多，需要估計(jì)的量也會(huì)過對(duì)導(dǎo)致開銷過大。看看有多少paper在討論這個(gè)導(dǎo)頻開銷、導(dǎo)頻污染問題就知道了。解決不了信道估計(jì)，大規(guī)模MIMO也只是紙上談兵。4）接收機(jī)。不是說弄個(gè)nb的信源編碼+信道編碼就能解決問題了，放個(gè)turbo就能在實(shí)際系統(tǒng)里逼近容量，不太現(xiàn)實(shí)。

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(gè)主要是要替代OFDM。你沒聽錯(cuò)，由于5G中以下應(yīng)用場(chǎng)景，OFDM的缺點(diǎn)暴露無遺，應(yīng)當(dāng)獲得解決。5G的應(yīng)用場(chǎng)景是：海量節(jié)點(diǎn)的M2M通信、頻譜碎片化的現(xiàn)狀、低延時(shí)應(yīng)用的需求、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合需求[4]。OFDM的以下缺點(diǎn)使其難以滿足新場(chǎng)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(qū)存在海量傳感節(jié)點(diǎn)時(shí)同步的代價(jià)將難以承受；（OFDM對(duì)同步的高要求使得其無法應(yīng)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(huán)前綴（CP）長(zhǎng)度僅與無線信道有關(guān)，所以在頻繁傳輸短幀時(shí)CP會(huì)造成無線資源的大量浪費(fèi)[5]。但是，替代OFDM談何容易。首先要保持其優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算量小（FFT實(shí)現(xiàn)）、易于與MIMO結(jié)合（頻域單點(diǎn)均衡，使子載波并行處理成為可能）；同時(shí)要克服其缺點(diǎn)。目前學(xué)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(xiàn)在也沒看到論文發(fā)出來說自己的方案能搞定均衡、信道估計(jì)。基本都是在外圍繞圈子，討論子帶濾波器設(shè)計(jì)這些邊邊角角的問題（目前最好的設(shè)計(jì)方法可能是IOTA）。難點(diǎn)在于這是一個(gè)數(shù)學(xué)問題，而且很難表述，更難求解，更不要說證明……

結(jié)語：人們對(duì)動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的要求是更高速、更便捷、更強(qiáng)大、更便宜，需求的“更”是沒有止境的，這促使著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進(jìn)，技術(shù)體制的更新?lián)Q代也隨之越來越快。很多用戶剛剛踏入4G的門檻，5G時(shí)代很快就要來到了。

5G 將會(huì)開啟一個(gè)新時(shí)代，一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)與每個(gè)人都息息相關(guān)的時(shí)代。據(jù)悉，5G將在2021年前后實(shí)現(xiàn)商用，屆時(shí)人們的生活將變得更快、更便捷。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 5G主要關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 王建軍，張玉娟. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào). 2016（33）

[2] 5G移動(dòng)通信相關(guān)技術(shù)與國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)展望[J]. 楊隨虎. 自動(dòng)化與儀器儀表. 2016（11）

[3] 第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)5G標(biāo)準(zhǔn)化展望與關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 周一青，潘振崗，翟國(guó)偉，田霖. 數(shù)據(jù)采集與處理. 2015（04）

[4] 5G與LTE雙連接技術(shù)架構(gòu)選擇[J]. 孟穎濤. 移動(dòng)通信. 2017（02）

[5] 5G業(yè)務(wù)需求分析及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程[J]. 王志勤，羅振東，魏克軍. 中興通訊技術(shù). 2014（02）