关于5G的多载波传输技术的研究

摘  要：5G是第五代移动通讯技术的简称，也是移动通讯在未来发展的必然趋势，2009年华为公司开始了相关科技的研发工作，建立了原型机基站。之后数年，韩国三星公司、美国高通公司等多家世界知名企业都开始了与5G相关的技术研发，并预计在2020年将5G正式推广。多载波技术是5G系统的核心，是将数据信号转换成数据流进行传输的技术。文章将介绍几种目前常用的多载波传输技术，并进行相互之间的分析与比较，供大家参考借鉴。

关键词：5G;多载波;传输技术

中图分类号：TN929.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0070-02

0  引  言

无线数据业务的数量与种类的不断增加，对网络传输速率提出了更高的要求。因此5G成为了人们关注的重点，世界很多知名企业都开启了针对5G的专项研究。多载波传输技术是实现5G的核心，4G中使用的正交频分复用技术就是其中的一个技术分支。5G对网络传输速率、时延都有非常严格的要求，因此需要不断开发多载波技术，推进5G的发展。

1  主要的5G无线宽带多载波传输技术

1.1  滤波器组多载波（FBMC）技术

滤波器组多载波是一种频谱利用率高，并且不需要同步的传输技术，应用一种并行的、可以过滤出特定范围频率分量的多载波信号的滤波器，由发送端的综合滤波器组与接收端的分析滤波器组构成，并且互为逆向结构。一般来讲，两个滤波器组是由同类滤波器设计组装而成，可以有效减少符号间存在的干扰，滤波器的叠加方式参考了原有的正交频分复用技术。数据通过偏移正交幅度调制方法进行处理，可以形成不同的载频，并在不同的子载波上进行滤波，加大了滤波的效率，加快了进度。

滤波器组多载波的原理是在接收端输入数据经过串并变换后，通过偏移正交幅度调制来降低干扰并直接输入滤波器组，接收端逆变换，从而与快速傅里叶变换（FFT）的比特率保持一致，并提高每一个子载波的利用率。通过该技术可以显著降低带外功率泄露。因为滤波器的连接不需要正交，所以可以减小保护间隔的频率，提高信号的时频效率，但是会造成符号之间的干扰。

与正交频分复用对比，滤波器组多载波技术灵活性与信号处理能力更高，技术应用的限制相对较小。但是该技术的计算复杂度较高，常规的算法无法满足计算需求，目前一般使用快速傅里叶变换算法。除此之外，滤波器组多载波的旁瓣水平不高，不适合短距离数据传输业务。

1.2  广义频分复用（GFDM）技术

该技术的主要应用方向是作为5G蜂窝系统物理层的一种备选波形方案，是为了取代当前4G中使用的正交频分复用，同时解决了后者存在的带外功率泄露大、需要严格同步、峰值平均功率比高等问题，该技术当前仍处于开发阶段。其原理在于每一帧上有K个子载波与M个子符号，并通过技术手段将滤波转换成为周期卷积，且每一帧只需要一个循环前缀，避免循环前缀在传输过程中会出现丢失的问题。该技术并不要求严格同步，只在每一个子载波上实现同步即可，技术研发时，还消除了载波间存在的干扰。滤波子载波的处理方法使广义频分复用的带外功率泄露很小，同时广义频分复用的帧结构灵活，可以根据要求进行设计。上述的这些优点使广义频分复用被主要应用在5G开发阶段，同时取得了较大的进展。总结GFDM技术优势为：

（1）滤波子载波的处理方法使得GFDM的带外辐射性能比传统的OFDM好很多。

（2）帧结构比较灵活。

（3）通过滤波和加窗处理方式能够很好地设计波形所要求的特性。

（4）每帧使用一个CP即可。

（5）在频域可以实现低复杂度的均衡。

1.3  通用滤波多载波（UFMC）技术

该技术与滤波器组多载波技术具有较多的相同点，可以对数量较大且连续的子载波进行滤波处理。技术使用时，可以根据实际情况来设置子载波的数量，当其数值是1时，可以将其视为滤波器组多载波传输方式。由于正交频分复用技术存在旁瓣大的问题，因此在使用以及研发过程中会受到很多限制，除了预留保护带宽隔断信号之间的频带，以此来防止多路信号相互干扰以及确保接收滤波器可以实现功能外，还需要使用滤波正交频分复用技术来达到同时向多个地址输出信号的功能。同时正交频分复用还存在很多缺点，如失真、相位漂移、多普勒效应导致的相位差等，都会直接影响到数据传输，也不能达到5G开发的基础要求，因此需要有相应的代替技术来实现其功能，同时改进原有技术中存在的问题。滤波器组多载波是针对通用谐波的正交频分复用，其主要流程为在所有正交频分复用符号上设置一个压缩旁瓣，这种方式可以有效拓宽频带，减少在使用过程中受到其他部件的限制。除此之外，该技术可以避免子带之间产生交叉叠加，有效减少干扰的现象。同时时域不会随着工作的进行而发生变化，所以子带不用同步，但频谱被限制在了固定的数值，进而提高了整个技术的应用难度。需要注意的是，通用谐波多载波没有加入循环前缀，所以虽然子带之间的干扰问题被解决了，但是子带个体容易出现内部干扰，尤其是在出现重合问题时，这种干扰会影响到整个工作的进行。

2  几种无线宽带多载波传输技术的分析与比较

2.1  技术特点

上述的几种无线宽带多载波传输技术都是为了实现5G网络而被研发的，因此符合5G网络对于传输技术的相应要求，与正交频分复用相比，都有了各方面的提升，同时具备不同的优势。滤波器组多载波技术的优势在于频谱效率高、不用严格同步等，又因为实现的难度小，所以是最先进入研发阶段的，目前已经相对成熟，同时也是实现5G的基础。但该技术中使用的正交幅度调制法与多天线技术的契合度始终不能提升，也会频频出现问题，甚至与正交频分复用都存在一定差距，所以仍然需要继续对其进行研究，并将重点放在如何解决存在的问题上。除此之外，旁瓣水平不高且每一帧长度较大，决定了该技术不适合应用在短距离数据传输业务中，否则容易出现失真的问题。通用滤波多载波技术由于对滤波器没有长度方面的限制，因此适合短距离数据传输业务，但没有加入循环前缀，故不适合使用其在空闲情况下进行同步以及节能传输，可以将滤波器组多载波看作是通用滤波多载波的特殊情况。而广义频分复用依然使用循环前缀，帧结构相对灵活，收发机结构并不复杂，所以可以被广泛应用于各种类型的业务中。广义频分复用以及濾波器组多载波的子带都不要求同步，所以对旁瓣的控制效果要显著高于正交频分复用，滤波器组多载波的频谱效率高于广义频分复用。需要注意的是，上述三种技术的接收效果本质上都取决于均衡器的设计。

2.2  技术实现的复杂度

上述的三种技术是当前世界上面向5G的三种主要无线宽带多载波传输技术，为了满足当前时代的需求，更多的公司加入到了开发5G的队列中。对比技术实现的复杂度，4G使用的正交频分复用的实现最简易，滤波器组多载波的复杂度在其之后，需要通过时域来实现，但是也相对简单。通多上文对技术的分析，可知广义频分复用与通用谐波多载波位于第三与第四位。在滤波器组多载波（FBMC）中，FBMC-P是指采用时域的实现方式，通过多项网络来实现;FBMC-E是指采用频域的实现方式，可以使用扩展的快速傅里叶变换算法来实现。

3  结  论

文章简述了主要的几种多载波传输技术，这些都是在开发5G中的重要技术，也是5G系统的核心。随着科技的进步和数据业务的不断增加，5G网络已经成为了很多公司的研发目标，其目的是给人们提供更好的网络使用体验，并使自身占据更多的市场份额。文章中提到，目前主要的多载波传输技术为FBMC、GFDM、UFMC三种，同时均有着各自的优点。在研发工作中，应当使用哪种技术需要根据系统的实际开发需求以及技术的适配情况而定。因此，科研人员应当加大技术的研究力度，为5G的研发打下坚实的基础。

参考文献：

[1] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术 [J].中国科学：信息科学，2014，44（5）：551-563.

[2] 马柯欣.面向5G的无线宽带多载波传输技术初探 [J].信息通信，2017（9）：244-246.

作者简介：吴文科（1985-），男，汉族，广东河源人，项目主管，工程师，本科，研究方向：5G技术项目监理。