5G关键技术浅谈

2015-12-26田忠驿

移动通信 2015年13期

关键词：多址多用户接收端

田忠驿

（网优雇佣军工作室，重庆 400065）

5G关键技术浅谈

田忠驿

（网优雇佣军工作室，重庆 400065）

对目前讨论较为广泛的一些5G技术进行整理并简要做了介绍，文章中所讨论的5G技术主要集中于无线空口部分，相信未来5G的关键技术也会集中于无线空口部分。

5G 非正交多址接入技术滤波组多载波技术毫米波

1 引言

未来的网络将会面对1 000倍的数据容量增长，10到100倍的无线设备连接，10到100倍的用户速率需求，10倍的电池续航时间需求等。坦白地讲，4G网络无法满足这些需求，所以5G必须登场。

5G的关键技术集中在无线部分。虽然5G最终将采用何种技术目前还没有定论。不过，综合目前业内广泛谈论的一些焦点，本文收集了5G的八大关键技术。当然，应该远不止这些。

2 非正交多址接入技术

3G采用直接序列码分多址（Direct Sequence CDMA，DS-CDMA）技术，手机接收端使用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）来解决手机和小区之间的远近问题。

4G网络则采用正交频分多址（OFDM）技术，OFDM不但可以克服多径干扰问题，而且和MIMO技术配合，极大地提高了数据传输速率。由于多用户正交，手机和小区之间就不存在远近问题，快速功率控制就被舍弃，采用AMC（自适应编码）的方法来实现链路自适应。

非正交多址接入技术（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）希望实现的是，重拾3G时代的非正交多用户复用原理，并将之融合于现在的4G OFDM技术之中。

从2G、3G到4G，多用户复用技术无非就是在时域、频域、码域上做文章，而NOMA在OFDM的基础上增加了一个维度——功率域。新增这个功率域的目的是，利用每个用户不同的路径损耗来实现多用户复用。3G/4G/5G多址技术比较如表1所示：

表1 3G/4G/5G多址技术比较

实现多用户在功率域的复用，需要在接收端加装一个SIC（持续干扰消除）。通过这个干扰消除器，加上信道编码（如Turbo Code或低密度奇偶校验码等），就可以在接收端区分出不同用户的信号。UE接收端利用SIC的NOMA基本原理如图1所示：

图1 UE接收端利用SIC的NOMA基本原理

NOMA可以利用不同路径损耗的差异来对多路发射信号进行叠加，从而提高信号增益。它能够让同一小区覆盖范围的所有移动设备都能获得最大的可接入带宽，可以解决由于大规模连接带来的网络挑战。

NOMA的另一个优点是，无需知道每个信道的CSI（信道状态信息），从而有望在高速移动场景下获得更好的性能，并能组建更好的移动节点回程链路。

3 滤波组多载波技术（FBMC）

在OFDM系统中，各个子载波在时域相互正交，它们的频谱相互重叠，因而具有较高的频谱利用率。OFDM技术一般应用在无线系统的数据传输中，在OFDM系统中，由于无线信道的多径效应，从而使符号间产生干扰。为了消除符号间干扰（ISl），在符号间插入保护间隔。插入保护间隔的一般方法是符号间置零，即发送第1个符号后停留一段时间（不发送任何信息），接下来再发送第2个符号。在OFDM系统中，这样虽然减弱或消除了符号间干扰，由于破坏了子载波间的正交性，从而导致了子载波之间的干扰（ICI）。因此，这种方法在OFDM系统中不能采用。在OFDM系统中，为了既可以消除ISI，又可以消除ICI，通常保护间隔是由CP（Cycle Prefix，循环前缀来）充当。CP是系统开销，不传输有效数据，从而降低了频谱效率。

OFDMA与FBMC原理比较如图2所示：

图2 OFDMA与FBMC原理比较

FBMC利用一组不交叠的带限子载波实现多载波传输，FMC对于频偏引起的载波间干扰非常小，不需要CP，较大地提高了频谱效率。

OFDM和FBMC波形对比如图3所示。

4 毫米波

什么叫毫米波？频率30GHz到300GHz，波长范围10mm到1mm。

由于足够量的可用带宽，较高的天线增益，毫米波技术可以支持超高速的传输速率且波束窄，灵活可控，可以连接大量设备。毫米波工作示意图如图4所示。

图4中，蓝色手机处于4G小区覆盖边缘，信号较差，且有建筑物（房子）阻挡，此时，就可以通过毫米波传输，绕过建筑物阻挡，实现高速传输。同样，粉色手机同样可以使用毫米波实现与4G小区的连接且不会产生干扰。当然，由于绿色手机距离4G小区较近，可以直接和4G小区连接。

图3 OFDM和FBMC波形对比

5 大规模MIMO技术（Massive MIMO）

MIMO技术已经广泛应用于Wi-Fi、LTE等。理论上，天线越多，频谱效率和传输可靠性就越高。

大规模MIMO技术可以由一些并不昂贵的低功耗的天线组件来实现，为在高频段上进行移动通信提供了广阔的前景。它可以成倍提升无线频谱效率，增强网络覆盖，增加系统容量，帮助运营商最大限度利用已有的站址资源和频谱资源。

以一个20cm2的天线物理平面为例，如果这些天线以半波长的间距排列在一个个方格中，则如果工作频段为3.5GHz，可部署16副天线；如果工作频段为10GHz，可部署169根天线。大规模MIMO部署于天线物理平面示意图如图5所示。

3D-MIMO技术在原有的MIMO基础上增加了垂直维度，使得波束在空间上三维赋型，避免了相互之间的干扰。配合大规模MIMO，可实现多方向波束赋型。

图4 毫米波工作示意图

6 认知无线电技术

认知无线电技术最大的特点就是能够动态地选择无线信道。在不产生干扰的前提下，手机通过不断感知频率，选择并使用可用的无线频谱。认知无线电工作示意图如图6所示。

图5 大规模MIMO部署于天线物理平面

7 超宽带频谱

信道容量与带宽和SNR成正比，为了满足5G网络Gbps级的数据速率，需要更大的带宽。

频率越高，带宽就越大，信道容量也越高。因此，高频段连续带宽成为5G的必然选择。得益于一些有效提升频谱效率的技术（如大规模MIMO），即使是采用相对简单的调制技术（如QPSK），也可以在1GHz的超带宽上实现10Gbps的传输速率。

图6 认知无线电工作示意图

8 超密度异构网络（Ultra-dense HetNets）

立体分层网络（HetNet）是指，在宏蜂窝网络层中布放大量微蜂窝（Microcell）、微微蜂窝（Picocell）、毫微微蜂窝（Femtocell）等接入点，来满足数据容量增长要求。到了5G时代，更多的物-物连接接入网络，HetNet的密度将会大大增加。

9 多技术载波聚合

3GPP R12已经提到载波聚合。未来的网络是一个融合的网络，载波聚合技术不但要实现LTE内载波间的聚合，还要扩展到与3G、Wi-Fi等网络的融合。多技术载波聚合示意图如图7所示：

图7 多技术载波聚合示意图

多技术载波聚合技术与HetNet一起，最终将实现万物之间的无缝连接。

[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.

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

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

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[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.

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