基于5G的新型多載波傳輸技術(shù)對(duì)比

陳兆良

【摘要】 多載波傳輸技術(shù)將成為5G時(shí)代的核心任務(wù)，文章介紹了幾種新型多載波傳輸技術(shù)，包括通用濾波多載波、濾波器組多載波和廣義頻分復(fù)用技術(shù)。通過(guò)在具體的移動(dòng)通信模擬傳輸中的效果對(duì)比，分析三種多載波技術(shù)的適用范圍。隨著我國(guó)移動(dòng)通信的快速發(fā)展，5G的實(shí)現(xiàn)將成為一種必然，分析5G時(shí)期的多載波傳輸技術(shù)要點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際需求正確選擇多載波傳輸技術(shù)，將促進(jìn)我國(guó)移動(dòng)通信業(yè)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 多載波傳輸技術(shù) 5G技術(shù) 濾波器組多載波 技術(shù)對(duì)比

我國(guó)計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)5G通信，與4G時(shí)代相比，5G具有更高的通信效率，抗干擾能力更強(qiáng)，最重要的是，5G將實(shí)現(xiàn)全面的智能化，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)、更豐富的服務(wù)。移動(dòng)通信技術(shù)在我國(guó)發(fā)展迅速，其核心技術(shù)也將不斷的改革。在傳統(tǒng)的移動(dòng)通信中，無(wú)線蜂窩網(wǎng)技術(shù)是主要的傳輸方式。但隨著虛擬技術(shù)的出現(xiàn)，一些新興的傳輸技術(shù)將逐漸代替無(wú)線蜂窩網(wǎng)技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。一些技術(shù)已經(jīng)在其他行業(yè)開(kāi)始應(yīng)用，在移動(dòng)通信行業(yè)的應(yīng)用將體現(xiàn)在其技術(shù)更新上。世界各國(guó)也將實(shí)現(xiàn)5G通信列入國(guó)家發(fā)展綱要，多載波傳輸技術(shù)將成為5G時(shí)代核心傳輸技術(shù)之一，4G時(shí)代的CP-OFDM技術(shù)將在共存一段時(shí)間后被取代，隨之而產(chǎn)生通用濾波多載波、濾波器組多載波和廣義頻分復(fù)用技術(shù)等技術(shù)。采用新型的多載波技術(shù)有效的促進(jìn)了移動(dòng)通信效率的提高，使其更加靈活，可以為用戶提供更多的服務(wù)。文章對(duì)三種主要的多載波技術(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)。

一、4G時(shí)期的CP-OFDM缺陷

在4G通信網(wǎng)中，CP-OFDM能夠提高系統(tǒng)的抗干擾能力，并且支撐4G的寬帶頻譜，具有積極作用。但是進(jìn)入5G時(shí)代，通信效率將極大的提高，此時(shí)采用使用CP-OFDM系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)5G時(shí)代需求，應(yīng)采用智能化程度更高的多載波技術(shù)。為了便于多載波技術(shù)的設(shè)計(jì)與發(fā)展，筆者基于5G的發(fā)展特點(diǎn)，對(duì)CP-OFDM的缺陷做如下分析。

首先：靈活性問(wèn)題。5G網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)端對(duì)端傳輸，并且要求傳輸延時(shí)低于1ms，但是4G時(shí)期的CP-OFDM基本不能達(dá)到這一要求，系統(tǒng)無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)提供施與符號(hào)，傳輸間隔也大于要求。CP-OFDM技術(shù)還無(wú)法滿足5G時(shí)代的帶寬需求。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)而言，更是屬于短包類突發(fā)式通信業(yè)務(wù)，對(duì)帶寬配置有較高的需求，一般需要比較窄的子載波，才能使時(shí)域符號(hào)和TTI足夠長(zhǎng)，5G時(shí)期的物聯(lián)網(wǎng)幾乎無(wú)延遲，因此不再使用CP。這也使得CP-OFDM的靈活性存在明顯的不足，需要采用新的技術(shù)，提高其靈活性，通過(guò)改變性能和參數(shù)來(lái)改變其靈活性問(wèn)題，但是這一技術(shù)依然處于理論階段，實(shí)現(xiàn)尚需要一定的技術(shù)支持。

其次：精確的同步。5G時(shí)代的OFDM技術(shù)采用正交的子載波間，可以實(shí)現(xiàn)精確同步。但是目前的4G技術(shù)并不能滿足這一需求，但是對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)而言，采用太多的同步將使網(wǎng)絡(luò)信令增多，最終造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行速度。因此，未來(lái)將增加異步傳輸技術(shù)，主要解決電力問(wèn)題和信道阻塞問(wèn)題。此外，在對(duì)零散頻段的利用上，受到技術(shù)的影響，依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)分散頻段的使用。但是隨著增大的移動(dòng)通信需求，CP-OFDM的瓣功率泄露較，使載波之間的干擾增大，因此依然無(wú)法滿足分散頻段使用的需求，未來(lái)將研發(fā)一種能夠?qū)⒘闵㈩l率應(yīng)用起來(lái)的通信技術(shù)，下文我們將幾種滿足5G時(shí)期的通信傳輸技術(shù)進(jìn)行分析。

二、幾種5G 新型多載波傳輸技術(shù)的應(yīng)用

基于上文研究，我們知道4G時(shí)期的CP-OFDM技術(shù)無(wú)法滿足5G發(fā)展的需求，目前5G實(shí)現(xiàn)上存在一定的困難，但是我們堅(jiān)信5G的實(shí)現(xiàn)具有可行性。目前，相關(guān)專家研究的集中于新型的多載波傳輸技術(shù)對(duì)于5G的實(shí)現(xiàn)具有積極意義。其中，我國(guó)已經(jīng)研究并且預(yù)計(jì)可以使用的技術(shù)為通用濾波多載波、濾波器組多載波和廣義頻分復(fù)用。當(dāng)然，這些技術(shù)是否能夠?qū)崿F(xiàn)，如何實(shí)現(xiàn)都值得研討。下文我們就將三種新型的多載波技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)比其與傳統(tǒng)技術(shù)的差別，并且對(duì)技術(shù)缺陷進(jìn)行改進(jìn)，旨在早日推行5G通信模式，滿足快速發(fā)展的移動(dòng)通信需求。

2.1通用濾波多載波

在4G通信網(wǎng)時(shí)代，F(xiàn)BMC濾波器的幀長(zhǎng)無(wú)法滿足短距離通信業(yè)務(wù)，而我們對(duì)于5G的分析中發(fā)現(xiàn)，短包技術(shù)將占據(jù)較大的一部分通信，因此對(duì)該技術(shù)的革新就成為一種必然。通用濾波多載波（UFMC）是對(duì)4G時(shí)代的FBMC技術(shù)的一種革新，是將若干個(gè)連續(xù)的子載波進(jìn)行濾波操作，UFMC實(shí)際上就是考慮了多種FBMC 傳輸情況，當(dāng)每組中子載波數(shù)為1時(shí)，傳輸方式為FBMC傳輸，基于此我們將其稱之為通用濾波的OFDM，該技術(shù)很好的解決了傳統(tǒng)FBMC系統(tǒng)的幀長(zhǎng)問(wèn)題。UFMC不再使用循環(huán)前綴，因此自帶的寬度直接決定了濾波器的長(zhǎng)度。這樣可以根據(jù)需求來(lái)設(shè)置寬帶的長(zhǎng)度，可以滿足不同用網(wǎng)需求，使移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)配置更加靈活。總之，UFMC是對(duì)FBMC的更新，它不僅具有FBMC系統(tǒng)所有的優(yōu)點(diǎn)，還可以在這一基礎(chǔ)上支持更多的通信業(yè)務(wù)，最重要的是解決了FBMC無(wú)法支持短包類業(yè)務(wù)的弊端。

2.2濾波器組多載波

器組多載波（FBMC）系統(tǒng)由發(fā)送端的綜合濾波器組和接收端的分析濾波器共同構(gòu)成。信號(hào)從分析濾波器來(lái)，并將其分成若干個(gè)字帶信號(hào)。由綜合濾波器組完成自帶信號(hào)的重組和輸出過(guò)程，也就是說(shuō)，F(xiàn)BMC的兩個(gè)系統(tǒng)屬于互為逆向結(jié)構(gòu)關(guān)系。二者共同組成了原型濾波器，并通過(guò)頻移建立函數(shù)獲得其他的濾波器。接收端輸入數(shù)據(jù)是將從發(fā)射端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和系列抗干擾處理后進(jìn)入多相濾波器組，并通過(guò)相應(yīng)的逆變換恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。在4G環(huán)境中，主要采用正交頻率的傳輸軟件，但是新型濾波器可以自動(dòng)調(diào)節(jié)帶寬，也就是根據(jù)需求設(shè)置帶寬，因此不再需要以正交的方式存在，其優(yōu)勢(shì)是靈活性更高，但是不同的子載波之間的互相干擾增大，因此需要使用OQAM數(shù)據(jù)處理方式，這種方式通過(guò)相同的FFT碼率來(lái)降低相鄰子載波之間的干擾。FBMC濾波器將是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)技術(shù)人員攻克的要點(diǎn)，但是目前僅集中于頻譜感知或認(rèn)知無(wú)線電上，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)能夠?qū)⒘闵⒌念l段合理的利用，最終提高通信網(wǎng)的運(yùn)行效率，降低寬帶外泄露現(xiàn)象的發(fā)生概率，通過(guò)非正交的運(yùn)行方式也使得小頻率可以使用。

2.3廣義頻分復(fù)用技術(shù)

廣義頻分復(fù)用（GFDM）技術(shù)也是一種新的多載波傳輸技術(shù)，具有信號(hào)接收方式簡(jiǎn)單、帶外功率泄露小、無(wú)需正交傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，并且該技術(shù)對(duì)干擾的控制更加理想。將若干個(gè)時(shí)隙和子載波上的符號(hào)作為一幀，通過(guò)一組濾波器的設(shè)計(jì)加上Tailbiting功能來(lái)完成發(fā)送端的濾波轉(zhuǎn)化為循環(huán)卷積，節(jié)省了發(fā)送濾波器拖尾消耗的CP長(zhǎng)度。與傳統(tǒng)的技術(shù)不同，GFDM是將每個(gè)子載波上都加上CP，接收端則利用一階頻域均衡，在Double-SIC技術(shù)的支持下，降低了干擾，徹底的消除了ICI。發(fā)送過(guò)程中的Tailbiting不僅降低了CP開(kāi)銷，還可以通過(guò)FFT功能來(lái)使計(jì)算復(fù)雜度降低，使信號(hào)傳輸更加順暢。其中所謂N倍內(nèi)插，就是指在系統(tǒng)的頻域范圍內(nèi)，將M點(diǎn)FFT的結(jié)果復(fù)制N次。GFDM濾波器的設(shè)計(jì)與FBMC具有相同之處，一般是依照原型低通濾波器而設(shè)計(jì)，因此在功能和特點(diǎn)上也具有一定的共同點(diǎn)。CP的作用在于使多徑信道等同于循環(huán)卷積信道，因此接收機(jī)部分可使用頻域單點(diǎn)均衡，這一點(diǎn)則與傳統(tǒng)的OFDM技術(shù)相似。

UFMC技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)和FBMC技術(shù)的更新，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更加明顯，但是由于不使用CP，因此對(duì)于短時(shí)間的不重合性更加敏感，對(duì)零散的頻譜的利用率不高。如果當(dāng)?shù)鼗据^多，用網(wǎng)需求較大時(shí)，采用該技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)將零散頻率的收集，也就無(wú)法提高頻率的拓寬。因此不應(yīng)用這一場(chǎng)合，一般是將該技術(shù)和FBMC技術(shù)結(jié)合使用。隨著對(duì)我國(guó)移動(dòng)通信發(fā)展的研究，技術(shù)人員通過(guò)研究提出了廣義頻分復(fù)用（GFDM）技術(shù)。在其原理設(shè)計(jì)中，我們對(duì)其進(jìn)行分析，進(jìn)一步確定了其優(yōu)勢(shì)，其中，GFDM根據(jù)不同類型的業(yè)務(wù)與應(yīng)用對(duì)空口的要求，實(shí)現(xiàn)脈沖成型濾波器的隨意選擇，這樣可以將不同類型的CP，發(fā)揮CP在系統(tǒng)中的重要作用，該算法也較簡(jiǎn)單，由于其具體信號(hào)頻域稀疏性特征，因此采用的計(jì)算方式和接收方式均較為簡(jiǎn)單。此外GFDM設(shè)置獨(dú)立的塊調(diào)制，通過(guò)配置不同的子載波與子符號(hào)，提高了其靈活性，提供多樣化的業(yè)務(wù)。GFDM的子載波利用有效的原型濾波器濾波，在頻率和時(shí)間域被循環(huán)移位，從而減少了帶外泄漏，是目前技術(shù)下可以開(kāi)發(fā)的的最先進(jìn)的多載波技術(shù)，也將成為5G核心技術(shù)，與MIMO多天線等基本技術(shù)一起發(fā)揮積極的作用，提高移動(dòng)通信效率。

三、總結(jié)

多載波傳輸技術(shù)是未來(lái)5G的核心技術(shù)，本文重點(diǎn)介紹了三種通用濾波多載波、濾波器組多載波和廣義頻分復(fù)用技術(shù)。三種新型技術(shù)各具優(yōu)勢(shì)，其中廣義頻分復(fù)用技術(shù)對(duì)零散的頻譜的利用率不高，但是抗干擾能力更強(qiáng)，并且更好的減少了帶外泄露。未來(lái)技術(shù)人員將進(jìn)一步研究移動(dòng)通信多載波技術(shù)，將先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用于5G中，得到5G預(yù)計(jì)的傳輸速度和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行速度，并且將干擾降到最低，促進(jìn)移動(dòng)業(yè)的發(fā)展。

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