田忠驛

（網(wǎng)優(yōu)雇傭軍工作室，重慶 400065）

5G關(guān)鍵技術(shù)淺談

田忠驛

（網(wǎng)優(yōu)雇傭軍工作室，重慶 400065）

對目前討論較為廣泛的一些5G技術(shù)進行整理并簡要做了介紹，文章中所討論的5G技術(shù)主要集中于無線空口部分，相信未來5G的關(guān)鍵技術(shù)也會集中于無線空口部分。

5G 非正交多址接入技術(shù) 濾波組多載波技術(shù) 毫米波

1 引言

未來的網(wǎng)絡將會面對1 000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(guān)鍵技術(shù)集中在無線部分。雖然5G最終將采用何種技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)。當然，應該遠不止這些。

2 非正交多址接入技術(shù)

3G采用直接序列碼分多址（Direct Sequence CDMA，DS-CDMA）技術(shù)，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（Fast Transmission Power Control，TPC）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(shù)，OFDM不但可以克服多徑干擾問題，而且和MIMO技術(shù)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(shù)（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）希望實現(xiàn)的是，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4G OFDM技術(shù)之中。

從2G、3G到4G，多用戶復用技術(shù)無非就是在時域、頻域、碼域上做文章，而NOMA在OFDM的基礎(chǔ)上增加了一個維度——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(shù)比較如表1所示：

表1 3G/4G/5G多址技術(shù)比較

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Turbo Code或低密度奇偶校驗碼等），就可以在接收端區(qū)分出不同用戶的信號。UE接收端利用SIC的NOMA基本原理如圖1所示：

圖1 UE接收端利用SIC的NOMA基本原理

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(shù)（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(shù)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（Cycle Prefix，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：

圖2 OFDMA與FBMC原理比較

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(shù)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。

圖3 OFDM和FBMC波形對比

5 大規(guī)模MIMO技術(shù)（Massive MIMO）

MIMO技術(shù)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(shù)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(shù)在原有的MIMO基礎(chǔ)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。

圖4 毫米波工作示意圖

6 認知無線電技術(shù)

認知無線電技術(shù)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。

圖5 大規(guī)模MIMO部署于天線物理平面

7 超寬帶頻譜

信道容量與帶寬和SNR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(shù)（如大規(guī)模MIMO），即使是采用相對簡單的調(diào)制技術(shù)（如QPSK），也可以在1GHz的超帶寬上實現(xiàn)10Gbps的傳輸速率。

圖6 認知無線電工作示意圖

8 超密度異構(gòu)網(wǎng)絡（Ultra-dense HetNets）

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的密度將會大大增加。

9 多技術(shù)載波聚合

3GPP R12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(shù)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(shù)載波聚合示意圖如圖7所示：

圖7 多技術(shù)載波聚合示意圖

多技術(shù)載波聚合技術(shù)與HetNet一起，最終將實現(xiàn)萬物之間的無縫連接。

[1] 5G White Paper. 5G Radio Access: Requirements, Concept and Technologies[Z]. DoCoMo, 2014.

[2] Maurice Bellanger. FBMC physical layer-principle[EB/ OL]. [2015-06-25]. http://www.ict-phydyas.org.

[3] Ariel Bleicher. Millimeter Waves May Be the Future of 5G Phones[EB/OL]. [2015-06-25]. http://spectrum.ieee. org.

[4] NTT DoCoMo. LTE Enhancements and Future Radio Access[Z]. 2013.

[5] NTT DoCoMo. Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for Future Radio Access[Z]. 2013.

[6] NTT DoCoMo. Future Radio Access for 5G[Z]. 2013.

[7] Samsung. Full Dimension MIMO and Beamforming Technologies for B4G[Z]. 2013.

[8] Huawei. A Key Technology for the Evolution of Future Wireless Networks[Z]. 2013.

[9] Zahid Ghadialy&Dr, Triantafyllos Kanakis. 5G: Your questions answered[Z]. eXplanoTech, 2013.

[10] K Higuchi, Y Kishiyama. Non-Orthogonal Access with Random Beamforming and Intra-beam SIC for Cellular MIMO Downlink[J]. IEEE, 2013(78): 1-5.★

A Brief Discussion of 5G Key Technologies

TIAN Zhong-yi
(Hropt Studio, Chongqing 400065, China)

Several key 5G techniques widely discussed, which mainly focus on air interface, were classifi ed and introduced in this paper. It is believed that air interface will still be the major part of 5G key techniques in the future.

5G non-orthogonal multiple access fi lter bank multi-carrier millimeter wave

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.13.019

TN929.5

A

1006-1010(2015)13-0092-04

田忠驛. 5G關(guān)鍵技術(shù)淺談[J]. 移動通信, 2015,39(13): 92-95.

2015-06-29

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

田忠驛：畢業(yè)于電子科技大學，現(xiàn)任職于網(wǎng)優(yōu)雇傭軍工作室，從事移動通信技術(shù)方面的研究。