5G關鍵技術淺談

1、5G關鍵技術淺談【摘要】對目前討論較為廣泛的一些5G技術進行整理并簡要做了介紹，文章中所討論的5G技術主要集中于無線空口部分，相信未來5G的關鍵技術也會集中于無線空口部分。【關鍵詞】5G非正交多址接入技術濾波組多載波技術毫米波1引言未來的網(wǎng)絡將會面對1000倍的數(shù)據(jù)容量增長，10到100倍的無線設備連接，10到100倍的用戶速率需求，10倍的電池續(xù)航時間需求等。坦白地講，4G網(wǎng)絡無法滿足這些需求，所以5G必須登場。5G的關鍵技術集中在無線部分。雖然5G最終將采用何種技術目前還沒有定論。不過，綜合目前業(yè)內(nèi)廣泛談論的一些焦點，本文收集了5G的八大關鍵技術。當然，應該遠不止這些。2非正交多址接入技術

2、3G采用直接序列碼分多址（DirectSequenceCDMA,DS-CDMA）技術，手機接收端使用Rake接收器，由于其非正交的特性，需要使用快速功率控制（FastTransmissionPowerControl,TP。來解決手機和小區(qū)之間的遠近問題。4G網(wǎng)絡則采用正交頻分多址(OFDM)技術，OFDM不但可以克服多徑干擾問題，而且和MIMO技術配合，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。由于多用戶正交，手機和小區(qū)之間就不存在遠近問題，快速功率控制就被舍棄，采用AMC(自適應編碼)的方法來實現(xiàn)鏈路自適應。非正交多址接入技術(Non-OrthogonalMultipleAccess,NOMA)希望實現(xiàn)的是

3、，重拾3G時代的非正交多用戶復用原理，并將之融合于現(xiàn)在的4GOFDM技術之中。從2G、3G到4G,多用戶復用技術無非就是在時域、頻域、碼域上做文章，而NOMA在OFDM的基礎上增加了一個維度一一功率域。新增這個功率域的目的是，利用每個用戶不同的路徑損耗來實現(xiàn)多用戶復用。3G/4G/5G多址技術比較如表1所不：表13G/4G/5G多址技術比較3G3.9/4G5GUsermultiplexingNon-orthogonal(CDMA)Orthogonal(OFDMA)Non-orthogonalwithSIC(NOMA)SignalwaveformSinglecarrierOFDM(orDFT-s

4、-OFDMOFDM（orDFT-s-OFDMI）LinkadaptationFastTPCAMCAMC+Powerallocation實現(xiàn)多用戶在功率域的復用，需要在接收端加裝一個SIC（持續(xù)干擾消除）。通過這個干擾消除器，加上信道編碼（如TurboCode或低密度奇偶校驗碼等），就可以在接收端區(qū)分由不同用戶的信號。UE接收端利用SIC的NOMA基本原理如圖1所示：NOMA可以利用不同路徑損耗的差異來對多路發(fā)射信號進行疊加，從而提高信號增益。它能夠讓同一小區(qū)覆蓋范圍的所有移動設備都能獲得最大的可接入帶寬，可以解決由于大規(guī)模連接帶來的網(wǎng)絡挑戰(zhàn)。NOMA的另一個優(yōu)點是，無需知道每個信道的CSI（信

5、道狀態(tài)信息），從而有望在高速移動場景下獲得更好的性能，并能組建更好的移動節(jié)點回程鏈路。3濾波組多載波技術（FBMC）在OFDM系統(tǒng)中，各個子載波在時域相互正交，它們的頻譜相互重疊，因而具有較高的頻譜利用率。OFDM技術一般應用在無線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中，在OFDM系統(tǒng)中，由于無線信道的多徑效應，從而使符號間產(chǎn)生干擾。為了消除符號間干擾（ISl）,在符號間插入保護間隔。插入保護間隔的一般方法是符號間置零，即發(fā)送第1個符號后停留一段時間（不發(fā)送任何信息）,接下來再發(fā)送第2個符號。在OFDM系統(tǒng)中，這樣雖然減弱或消除了符號間干擾，由于破壞了子載波間的正交性，從而導致了子載波之間的干擾（ICI）。因此，這

6、種方法在OFDM系統(tǒng)中不能采用。在OFDM系統(tǒng)中，為了既可以消除ISI,又可以消除ICI,通常保護間隔是由CP（CyclePrefix,循環(huán)前綴來）充當。CP是系統(tǒng)開銷，不傳輸有效數(shù)據(jù)，從而降低了頻譜效率。OFDMA與FBMC原理比較如圖2所示：FBMC利用一組不交疊的帶限子載波實現(xiàn)多載波傳輸，F(xiàn)MC對于頻偏引起的載波間干擾非常小，不需要CP,較大地提高了頻譜效率。OFDM和FBMC波形對比如圖3所示。4毫米波什么叫毫米波？頻率30GHz到300GHz，波長范圍10mm到1mm。由于足夠量的可用帶寬，較高的天線增益，毫米波技術可以支持超高速的傳輸速率且波束窄，靈活可控，可以連接大量設備。毫米波

7、工作示意圖如圖4所示。圖4中，藍色手機處于4G小區(qū)覆蓋邊緣，信號較差，且有建筑物（房子）阻擋，此時，就可以通過毫米波傳輸，繞過建筑物阻擋，實現(xiàn)高速傳輸。同樣，粉色手機同樣可以使用毫米波實現(xiàn)與4G小區(qū)的連接且不會產(chǎn)生干擾。當然，由于綠色手機距離4G小區(qū)較近，可以直接和4G小區(qū)連接。5大規(guī)模MIMO技術(MassiveMIMO)MIMO技術已經(jīng)廣泛應用于Wi-Fi、LTE等。理論上，天線越多，頻譜效率和傳輸可靠性就越高。大規(guī)模MIMO技術可以由一些并不昂貴的低功耗的天線組件來實現(xiàn)，為在高頻段上進行移動通信提供了廣闊的前景。它可以成倍提升無線頻譜效率，增強網(wǎng)絡覆蓋，增加系統(tǒng)容量，幫助運營商最大限度利

8、用已有的站址資源和頻譜資源。以一個20cm2的天線物理平面為例，如果這些天線以半波長的間距排列在一個個方格中，則如果工作頻段為3.5GHz,可部署16副天線；如果工作頻段為10GHz,可部署169根天線。大規(guī)模MIMO部署于天線物理平面示意圖如圖5所示。3D-MIMO技術在原有的MIMO基礎上增加了垂直維度，使得波束在空間上三維賦型，避免了相互之間的干擾。配合大規(guī)模MIMO,可實現(xiàn)多方向波束賦型。6認知無線電技術認知無線電技術最大的特點就是能夠動態(tài)地選擇無線信道。在不產(chǎn)生干擾的前提下，手機通過不斷感知頻率，選擇并使用可用的無線頻譜。認知無線電工作示意圖如圖6所示。7超寬帶頻譜信道容量與帶寬和S

9、NR成正比，為了滿足5G網(wǎng)絡Gbps級的數(shù)據(jù)速率，需要更大的帶寬。頻率越高，帶寬就越大，信道容量也越高。因此，高頻段連續(xù)帶寬成為5G的必然選擇。得益于一些有效提升頻譜效率的技術（如大規(guī)模MIMO）,即使是采用相對簡單的調(diào)制技術（如QPSK,也可以在1GHz的超帶寬上實現(xiàn)10Gbps的傳輸速率。8超密度異構(gòu)網(wǎng)絡（Ultra-denseHetNets）立體分層網(wǎng)絡（HetNet）是指，在宏蜂窩網(wǎng)絡層中布放大量微蜂窩（Microcell）、微微蜂窩（Picocell）、毫微微蜂窩（Femtocell）等接入點，來滿足數(shù)據(jù)容量增長要求。到了5G時代，更多的物-物連接接入網(wǎng)絡，HetNet的密度將會大大

10、增加。9多技術載波聚合3GPPR12已經(jīng)提到載波聚合。未來的網(wǎng)絡是一個融合的網(wǎng)絡，載波聚合技術不但要實現(xiàn)LTE內(nèi)載波間的聚合，還要擴展到與3G、Wi-Fi等網(wǎng)絡的融合。多技術載波聚合示意圖如圖7所示：多技術載波聚合技術與HetNet一起，最終將實現(xiàn)萬物之間的無縫連接。參考文獻：1 5GWhitePaper.5GRadioAccessRequirements,ConceptandTechnologiesZ.DoCoMo,2014.2 MauriceBellanger.FBMCphysicallayer-principleEB/OL.2015-06-25.http:/www.ict-phydyas

11、.org.3 ArielBleicher.MillimeterWavesMayBetheFutureof5GPhonesEB/OL.2015-06-25..4 NTTDoCoMo.LTEEnhancementsandFutureRadioAccessZ.2013.5 NTTDoCoMo.Non-OrthogonalMultipleAccess(NOMA)forFutureRadioAccessZ.2013.6 NTTDoCoMo.FutureRadioAccessfor5GZ.2013.7 Samsung.FullDimensionMIMOandBeamformingTechnologiesforB4GZ.2013.8 Huawei.AKeyTechnologyfortheEvolutionofFutureWirelessNetworksZ.2013.9 ZahidGhadialy&Dr,Trianta