陳圳

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5G關(guān)鍵新技術(shù)淺析

陳圳

中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000

隨著技術(shù)發(fā)展；新的需求不斷被創(chuàng)造；人們對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的需求與日俱增。第五代移動(dòng)通信（5G）的需求也逐漸明確，因此基于現(xiàn)有技術(shù)的潛在5G可運(yùn)用的新技術(shù)也成為研究發(fā)展的核心。其中包括費(fèi)政教多址接入、D2D通信、大規(guī)模MIMO、超密集組網(wǎng)等。

5G；新技術(shù)；非正交多址接入

1 非正交多址接入技術(shù)

非正交多址技術(shù)（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）的原理是在發(fā)送端采用非正交發(fā)送，人為引入干擾，在接收端通過串行干擾刪除（SIC）接收機(jī)來正確解調(diào)。

NOMA的子信道傳輸采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，這是一個(gè)4G的基礎(chǔ)技術(shù)，子信道之間是正交的，因此就互不干擾，但是一個(gè)子信道上不再只分配給一個(gè)用戶，而是分給了多個(gè)用戶共享。而同一子信道上不同用戶之間是非正交傳輸，這樣會(huì)造成用戶間的干擾，也就因此，在接收端要采用SIC技術(shù)進(jìn)行多用戶檢測(cè)。由于子信道分配了多個(gè)用戶，因此這一技術(shù)可擴(kuò)大容量，此外還有干擾低、適合高速移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。

2 D2D通信

D2D（Device to Device）主要用于拓展網(wǎng)絡(luò)連接、接入方式，無需借助基站，實(shí)現(xiàn)通信終端之間直接通信。由于直接通信，距離更短，信道質(zhì)量就更高，能實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低時(shí)延、較低功耗。通過分布各處的終端，能改善覆蓋。對(duì)于頻譜稀缺的移動(dòng)通信，頻譜資源可以高效利用。更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法，提升了鏈路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。就目前來說，D2D采用廣播、組播和單播技術(shù)，以后發(fā)展包括中繼技術(shù)、多天線技術(shù)、聯(lián)合編碼等擴(kuò)展技術(shù)。

3 大規(guī)模MIMO

MIMO[1]是多輸入輸出。4G-LTE系統(tǒng)中一般是4、8根，而大規(guī)模MIMO可以達(dá)到上百根。這些天線以大規(guī)模陣列的方式集中放置，這樣一來，基站覆蓋范圍內(nèi)，多用戶可在同一時(shí)頻資源上與基站同時(shí)通信，提升頻譜效率。其次，大規(guī)模天線帶來分集增益、陣列增益，可提升用戶與基站通信功率效率。當(dāng)天線規(guī)模大時(shí)，一些隨機(jī)性會(huì)變得穩(wěn)定，這就使得大規(guī)模MIMO和普通MIMO有區(qū)別，可以成為5G技術(shù)中一個(gè)實(shí)用的技術(shù)。

當(dāng)然，大規(guī)模MIMO技術(shù)也存在一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)。一是大規(guī)模MIMO信道模型問題，目前大部分研究都做了大規(guī)模MIMO信道是獨(dú)立同分布信道的假設(shè)，但這和實(shí)際情況并不完全相同，實(shí)際中信道能量往往集中在有限的方向上。二是導(dǎo)頻污染，在TDD大規(guī)模MIMO傳輸方案中，用戶向基站發(fā)送正交的導(dǎo)頻，基站估計(jì)上行信道，然后利用信道互易性來獲得下行信道參數(shù)。然而隨著用戶數(shù)目的增加，導(dǎo)頻開銷就增加。相互正交的導(dǎo)頻就變得不那么夠用，這就是所謂的“導(dǎo)頻污染”。此外還有，在多用戶傳輸技術(shù)方面，在有限的信道信息條件下實(shí)施下行預(yù)編碼和上行多用戶聯(lián)合接收等問題，都是現(xiàn)在大規(guī)模MIMO研究待解決等一些問題。

4 超密集組網(wǎng)

據(jù)估計(jì)，未來無線網(wǎng)絡(luò)將有現(xiàn)在10倍多的無線節(jié)點(diǎn)分布，因此5G中超密集組網(wǎng)會(huì)有很大發(fā)展前景，但其中還有不少亟需解決的問題。節(jié)點(diǎn)距離減少，網(wǎng)絡(luò)更加密集，拓?fù)渚透鼜?fù)雜，干擾是必須面對(duì)的問題，主要會(huì)有同頻干擾、不同覆蓋層次間的干擾?，F(xiàn)在的算法還難以應(yīng)對(duì)。

可靠有效地感知臨近節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模節(jié)點(diǎn)協(xié)作的前提。在超密集網(wǎng)中，密集的部署讓小區(qū)邊界數(shù)量劇增，同時(shí)形狀不規(guī)則導(dǎo)致頻繁復(fù)雜的切換。為滿足移動(dòng)性需求，就需要更好的切換算法。此外，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署的相關(guān)技術(shù)也是研究的重點(diǎn)。由于用戶部署的大量節(jié)點(diǎn)的開啟和關(guān)閉是有突發(fā)性和隨機(jī)性的，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜透蓴_會(huì)在大范圍動(dòng)態(tài)變。；各小站中較少的服務(wù)用戶數(shù)就容易造成業(yè)務(wù)的空間和時(shí)間分布出現(xiàn)一些劇烈的變化。

5 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

目前，無線網(wǎng)絡(luò)面臨異構(gòu)問題的挑戰(zhàn)。商用的網(wǎng)絡(luò)里存在大量的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如：LTE、WIMAX、UMTS、WLAN等等。這些異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)共存將持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)盡量統(tǒng)一，但仍然會(huì)存在新舊標(biāo)準(zhǔn)的兼容問題。這些問題困擾著運(yùn)營(yíng)商，增加著運(yùn)營(yíng)商乃至終端的成本?，F(xiàn)在來說，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)面臨的問題集中在互通，資源優(yōu)化無線資源利用率不高。這些主要是因?yàn)楝F(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用的垂直架構(gòu)設(shè)計(jì)，此外，網(wǎng)絡(luò)中的一對(duì)多模型無法針對(duì)不同服務(wù)特點(diǎn)提供專用定制的網(wǎng)絡(luò)保障，從而降低了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)。所以，在無線網(wǎng)絡(luò)中引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)思想將有利于運(yùn)營(yíng)商升級(jí)網(wǎng)絡(luò)、用戶體驗(yàn)的提升等。

6 毫米波通信

也可以稱為高頻段通信?，F(xiàn)在所用的頻段資源是非常稀缺的，隨著移動(dòng)通信的技術(shù)演進(jìn)，載波頻率不斷升高?，F(xiàn)有頻段已經(jīng)十分吃緊。而毫米波頻段（3—60GHz）資源卻非常豐富，其帶寬高達(dá)273.5GHz。超過從直流到微波全部帶寬的10倍，尚未被充分開發(fā)利用。并且隨著基站天線規(guī)模增加，為了能夠在有限的空間內(nèi)部署更多天線也要求通信的波長(zhǎng)不能太長(zhǎng)，毫米波的元件尺寸小。從而毫米波也是備選技術(shù)之一。毫米波具有波束窄、探測(cè)能力強(qiáng)、傳輸質(zhì)量高、安全保密好等優(yōu)點(diǎn)。此外，毫米波通信已經(jīng)被寫進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)用于室內(nèi)的多媒體高速通信。

7 結(jié)語

5G將擁有許多實(shí)用的新技術(shù)，是移動(dòng)通信的又一里程碑。其容量、速度、抗擾必將更加優(yōu)異，但目前也尚存需要繼續(xù)研究、解決的問題。在其正式商用前，通信業(yè)界還將繼續(xù)改善。

[1]焦慧穎.LTE-Advanced中的多用戶MIMO的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展[J].現(xiàn)代電信科技，2010（3）：95-99.

陳圳（1996—），男，福建省，中南大學(xué)通信工程2013級(jí)本科生。

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