5G通信技术

施亮

【摘要】 随着科学技术不断发展，5G的研发投入越来越大，5G的进程不断的加快，5G的研发也是具有十分重要的意义的。

【关键词】 移动通信 5G优势 5G难点

一、引言

5G的发展区域成熟，然而5G存在哪些技术优势和特点值得我们去研究和推广呢？下面进行阐述。

根据目前的共识，5G系统应具备的特征：容量较4G（LTE-A）提高1000倍以上，频谱效率和能耗、传输时延、系统安全和用户体验显著提高。同时5G可以为机对机通信（M2M）等物联网应用场景提供架构上的支持[1]。5G研究的几个热门话题：大规模天线阵列（Massive MIMO）、基于滤波器组的多载波技术（Filterbank Multicarrier，FBMC）、全双工复用、超密集网络、自组织网络、软件定义网络及内容分发网络。个人对前两个东西有一定了解（在实验室耳濡目染的结果），下面大致说说二者在研究上的难点。（理论问题才是问题，硬件不是5G的瓶颈）

二、MIMO多天线技术

大规模MIMO大规模MIMO带来的好处是：第一、空间分辨率与现有MIMO 相比显著增强， 能深度挖掘空间维度资源， 使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用大规模 MIMO 提供的空間自由度与基站同时进行通信， 从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率[2]；第二，、大规模 MIMO 可将波束集中在很窄的范围内， 从而大幅度降低干扰。第三、可大幅降低发射功率，从而提高功率效率。 第四， 当天线数量足够大时， 最简单的线性预编码和线性检测器趋于最优， 并且噪声和不相关干扰都可忽略不计。总之，基站处天线数增多带来的不仅是量变，而是产生了质变——为什么质变，有兴趣可以看看Mazetta关于Massive MIMO的开山之作中的数学证明。那么大规模MIMO的研究难点在哪里？我准备从4个小方面举例说明。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经过大量的外场实测得出一些参数，然后用于计算机仿真。还有比如平面波建模还是球面波建模，raytracing 还是 geographic-based model等等，都需要严格地确定。这是一项脏活累活。难。2）空分多址方案。简单说就是如何对一个大维矩阵在某个域内稀疏化，从而挖掘空间资源。华为有了个稀疏多址（Sparse Code Multiple Access，SCMA），大唐有了个图样多址（Pattern Division Multiple Access，PDMA）[3]。国际上最具潜力的是大规模MIMO下的空分多址。这是5G无线接入性能成百上千倍提高的关键，当然难。3）信道估计、导频。上下行链路的数据传输需要对信道进行估计，天线数过多，需要估计的量也会过对导致开销过大。看看有多少paper在讨论这个导频开销、导频污染问题就知道了。解决不了信道估计，大规模MIMO也只是纸上谈兵。4）接收机。不是说弄个nb的信源编码+信道编码就能解决问题了，放个turbo就能在实际系统里逼近容量，不太现实。

三、基于滤波器组的多载波

基于滤波器组的多载波研究这个主要是要替代OFDM。你没听错，由于5G中以下应用场景，OFDM的缺点暴露无遗，应当获得解决。5G的应用场景是：海量节点的M2M通信、频谱碎片化的现状、低延时应用的需求、异构网络的融合需求[4]。OFDM的以下缺点使其难以满足新场景下的需求：第一，各子载波之间必须同步以保持正交性，在小区存在海量传感节点时同步的代价将难以承受；（OFDM对同步的高要求使得其无法应用在上行，所以LTE上行采用的是SCFDMA）第二，其采用方波作为基带波形，载波旁瓣较大，难以利用碎片频段；第三，其使用的循环前缀（CP）长度仅与无线信道有关，所以在频繁传输短帧时CP会造成无线资源的大量浪费[5]。但是，替代OFDM谈何容易。首先要保持其优点：计算量小（FFT实现）、易于与MIMO结合（频域单点均衡，使子载波并行处理成为可能）；同时要克服其缺点。目前学界的方案主要是FBMC，GFDM等，但是谁也没有解决根本问题。直到现在也没看到论文发出来说自己的方案能搞定均衡、信道估计。基本都是在外围绕圈子，讨论子带滤波器设计这些边边角角的问题（目前最好的设计方法可能是IOTA）。难点在于这是一个数学问题，而且很难表述，更难求解，更不要说证明……

结语：人们对动互联网的要求是更高速、更便捷、更强大、更便宜，需求的“更”是没有止境的，这促使着移动互联网技术突飞猛进，技术体制的更新换代也随之越来越快。很多用户刚刚踏入4G的门槛，5G时代很快就要来到了。

5G 将会开启一个新时代，一个无线网络与每个人都息息相关的时代。据悉，5G将在2021年前后实现商用，届时人们的生活将变得更快、更便捷。

参 考 文 献

[1] 5G主要关键技术探讨[J]. 王建军，张玉娟. 科技创新导报. 2016（33）

[2] 5G移动通信相关技术与国内发展趋势展望[J]. 杨随虎. 自动化与仪器仪表. 2016（11）

[3] 第五代移动通信系统5G标准化展望与关键技术研究[J]. 周一青，潘振岗，翟国伟，田霖. 数据采集与处理. 2015（04）

[4] 5G与LTE双连接技术架构选择[J]. 孟颖涛. 移动通信. 2017（02）

[5] 5G业务需求分析及技术标准进程[J]. 王志勤，罗振东，魏克军. 中兴通讯技术. 2014（02）