淺談5G移動通信技術(shù)

孫智博

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淺談5G移動通信技術(shù)

孫智博

中南大學信息科學與工程學院，湖南 長沙 410000

隨著4G已經(jīng)投入商用，但是日益增長的數(shù)據(jù)流量以及智能終端的普及，導(dǎo)致4G在容量、速率等方面，已經(jīng)不能令人滿意。所以5G應(yīng)運而生?；仡櫼苿油ㄐ沤陙淼陌l(fā)展歷程，5G具有大容量、高速率、低時延的特點。5G采用的關(guān)鍵技術(shù)：大規(guī)模MIMO、毫米波通信、SDN、濾波器組多載波調(diào)制技術(shù)等。

5G；大規(guī)模MIMO；毫米波通信；SDN

1 發(fā)展背景

近幾十年來，移動通信行業(yè)發(fā)展迅猛，從第一代移動通信發(fā)展到現(xiàn)在以O(shè)FDM核心技術(shù)為主的第四代移動通信，人們不斷享受著科技進步給生活帶來的精彩的同時，對5G更加期待。對于5G的需求，主要分為以下兩個方面：網(wǎng)絡(luò)需求和用戶體驗。從網(wǎng)絡(luò)需求的角度來看，以下幾點需求比較關(guān)鍵：（1）更大容量；（2）多網(wǎng)融合；（3）容易部署；（4）運營簡單；（5）節(jié)約能源，提高效率。

用戶需求是通信行業(yè)發(fā)展的推動力，從用戶需求的角度來看：（1）更快的速度；（2）更低的時延；（3）更加大的覆蓋范圍；（4）更好的移動性。5G移動通信的出現(xiàn)，將會加快通訊行業(yè)與其他行業(yè)的融合，更好地提升用戶體驗，使人們可以無時不刻地使用無線設(shè)備來進行即時互動。這樣，使得更加多的“物體”連入網(wǎng)絡(luò)，整個社會更加智能化，推動社會發(fā)展。

2 主要技術(shù)

（1）大規(guī)模MIMO。大規(guī)模MIMO通過在基站收發(fā)信機上使用超過64根天線，以此實現(xiàn)了更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性。這種方式從根本上改變了現(xiàn)有標準的基站收發(fā)信機架構(gòu)。由于通過的天線單元進行通信，大規(guī)模MIMO可以通過預(yù)編碼技術(shù)集將能量集中到目標移動終端上，從而降低了輻射功率。[1]

（2）毫米波通信。由于當今通信所用的頻譜資源十分短缺，但是毫米波頻段（3GHz～60GHz）資源很豐富，還未被充分利用，并且隨著基站天線數(shù)目越來越多，密度越來越大，為了在有限空間內(nèi)部署更加多的天線，只能減短天線長度，所以通信的波長也不能太長，所以毫米波切合需求。

（3）軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN。該技術(shù)主要是將控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，只需要在網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的底層進行轉(zhuǎn)發(fā)，在上層進行控制，進而將整個網(wǎng)絡(luò)都實現(xiàn)可編程化。[2]

（4）基于濾波器組多載波調(diào)制技術(shù)。這一技術(shù)常見的有FBMC/UF-OFDM/GFDM/BFDM等。其實都是OFDM（正交頻分復(fù)用）的改進，而OFDM技術(shù)雖好，但也存在頻譜旁瓣高、對同步性要求高的缺點。且隨著物聯(lián)網(wǎng)、機器與機器間通信的普及，通信會對異步要求越來越高?；谶@些，上述新型多載波技術(shù)的發(fā)展也是相當必要的。

（5）致密組網(wǎng)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)是為了適應(yīng)不斷增大的小區(qū)密度，從而增大系統(tǒng)容量、頻譜復(fù)用率等。滿足更多的用戶需求，提升用戶體驗。

（6）認知無線電。在不改變現(xiàn)有頻譜分配的情況下，為了在有限的頻譜內(nèi)提供頻譜動態(tài)接入的機制，進而提供更為高效的頻譜利用率，我們引入頻譜共享技術(shù)。目前，發(fā)展最為迅速的頻譜共享技術(shù)就是認知無線電技術(shù)。它具有靈活、智能、可重配置等優(yōu)良特性，通過感知外界環(huán)境特點，并從環(huán)境中不斷學習，有目的地實時改變一些操作參數(shù)，從而可以實現(xiàn)任何時間、任何地點的高可靠性通信以及對有限的無線頻譜資源進行高效利用。認知無線電的主要思想就是通過頻譜感知和系統(tǒng)的智能學習能力，從而實現(xiàn)動態(tài)利用頻譜和頻譜分享。認知無線電中，次級用戶通過動態(tài)地搜索頻譜空穴進行通信，這種技術(shù)稱為動態(tài)頻譜接入。當主用戶已經(jīng)占用某個授權(quán)頻段時，次級用戶必須立刻從該頻段退出，去搜索其他空閑頻段完成自己的通信。

3 難點技術(shù)

個人認為大規(guī)模MIMO和基于濾波器組的多載波比較難實現(xiàn)。大規(guī)模MIMO帶來的好處是：（1）空間分辨率與現(xiàn)有MIMO 相比顯著增強，使得網(wǎng)絡(luò)中的多個用戶可以在同時在同一個頻率資源上與基站同時進行通信，從而提高信道容量；（2）大規(guī)模 MIMO 可將無線電集中在很窄的范圍內(nèi)，從而大幅度降低干擾。（3）可大幅降低發(fā)射功率，從而提高功率效率。（4）當天線數(shù)量足夠大時，最簡單的線性預(yù)編碼和線性檢測器趨于最優(yōu)狀態(tài)，并且噪聲和不相關(guān)干擾都可忽略不計。但是也存在以下難點：（1）如何給信道合理建模。LTE研究中常用模型需要修正。而成熟的信道模型是要經(jīng)過大量的外場實測得出一些參數(shù)，然后用于計算機仿真。（2）空分多址方案。就是如何對一個大維矩陣在某個域內(nèi)稀疏化，從而挖掘空間資源。（3）信道參數(shù)估計。上下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸需要對信道參數(shù)進行估計，天線數(shù)目過多，需要估計的量也會過多，導(dǎo)致開銷過大。

基于濾波器組多載波調(diào)制技術(shù)正是為了代替OFDM。OFDM的以下缺點使其難以滿足新場景下的需求：第一，各子載波之間必須同步以保持正交性，在小區(qū)存在很多傳感節(jié)點時，高要求的同步的代價將很難做到；第二，OFDM采用方波作為基帶波形，載波旁瓣較大，難以利用碎片頻段。所以，基于濾波器組多載波調(diào)制技術(shù)就是要解決OFDM的缺陷之處，但是替代OFDM談何容易。

[1]秦飛，康紹麗.融合、演進與創(chuàng)新的5G技術(shù)路線[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2013（9）：10.

[2]王佩，陳金鷹，喻恒彥.5G進展與關(guān)鍵技術(shù)分析[J].通信與信息技術(shù)，2015（6）：57-58.

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