面向5G的無線寬帶多載波傳輸技術(shù)研究

劉洋 張樂 呂昊

【摘要】 5G是未來階段下移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢，在時(shí)延、傳輸速率、頻率利用率上，都比4G技術(shù)得到了顯著的提升。本文主要對目前主流的5G無線寬帶載波傳輸技術(shù)進(jìn)行分析與比較，為5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)取得突破奠定良好基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 多載波傳輸 5G網(wǎng)絡(luò) 通信技術(shù)

隨著時(shí)代的發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)更加注重?cái)?shù)據(jù)流的傳輸，對于無線傳輸?shù)难芯砍蔀?G系統(tǒng)的核心領(lǐng)域。5G無線寬帶多載波傳輸技術(shù)，應(yīng)著重解決實(shí)時(shí)應(yīng)用、頻譜碎片化與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等問題，為未來移動(dòng)通信業(yè)務(wù)帶來全新的體驗(yàn)。

一、主流5G無線寬帶多載波傳輸技術(shù)

目前常見的新型多載波傳輸方式就是FBMC與GFDM，前者對于子帶同步運(yùn)作的要求不高，不使用循環(huán)前綴，有著很好的頻譜效率，2009年提出的GFDM技術(shù)接收機(jī)復(fù)雜度低，有非常理想的頻譜效率，對子載波同步無嚴(yán)格的要求。在2013年UFMC技術(shù)的出現(xiàn)，結(jié)合了上述兩種技術(shù)的優(yōu)勢，為5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了更大空間。

1.1面向5G的FBMC技術(shù)

早在上個(gè)世紀(jì)通信領(lǐng)域中的DMT和DWMT就是FBMC的一種類型，頻譜效率高，傳輸無需同步，這一技術(shù)在各個(gè)子載波上濾波，經(jīng)過特殊的設(shè)計(jì)之后，濾波器就可以將符號(hào)干擾完全消除，其相鄰子帶的交疊與OFDM技術(shù)是相同的。由于傳輸產(chǎn)生的載波干擾問題，可以使用偏移正交幅度調(diào)制技術(shù)進(jìn)行消除。在具體的傳輸過程中，需要通過多徑通道，需要達(dá)到時(shí)域均衡后子帶才能夠順利完成工作。FBMC技術(shù)需要使用濾波器組抑制旁瓣才能夠順利完成傳輸，該種濾波器實(shí)際上就是并行帶通濾波器，在傳輸過程中，只要使用低通原型濾波器就可以達(dá)到傳輸目的。此外，還可以使用FFT網(wǎng)絡(luò)來調(diào)制濾波器組，這樣可以有效降低計(jì)算的復(fù)雜型，如果信道中應(yīng)用M個(gè)子載波，為了獲取到理想的帶外衰竭，共需要長度為K×M的等效FIR濾波器，其中K也是衡量子帶重疊的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即重疊因子。關(guān)于原型濾波器的設(shè)計(jì)，不僅需要滿足移植旁瓣的需求，還需要采取合理的措施減小符號(hào)干擾，這可以應(yīng)用均方根奈奎斯特濾波器來實(shí)現(xiàn)。如果要滿足擴(kuò)展FFT，可以使用頻率采樣法進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了獲取到更好的性能，可以采用IOTA等復(fù)雜的濾波器設(shè)計(jì)法，其中最常用的就是偏移正交幅度調(diào)制法，但是，這一技術(shù)在MIMO環(huán)境下需要采用其他的技術(shù)才能夠消除不良影響。

1.2 面向5G的GFDM技術(shù)

GFDM技術(shù)有著發(fā)送簡單、頻譜效率高、無需子帶同步的優(yōu)勢，這一技術(shù)將S個(gè)時(shí)隙與M個(gè)子載波符號(hào)作為一個(gè)幀，只要設(shè)計(jì)好濾波器，并進(jìn)行Tailbiting就能夠達(dá)到傳輸目的。與傳統(tǒng)PFDM技術(shù)不同，GFDM技術(shù)需要在子載波上使用CP，并不需要在調(diào)制后使用，而為了消除ICI，還需要采用DoubleSIC技術(shù)。在GFDM收發(fā)機(jī)設(shè)備中，每一個(gè)子帶原型低通濾波器都是相同的，這一技術(shù)不僅節(jié)約了成本，還可以利用FFT來快速計(jì)算出結(jié)果，在計(jì)算時(shí)，N倍內(nèi)插步主要哦集中在頻域之中，將FFT結(jié)果進(jìn)行復(fù)制處理。為了提升計(jì)算的準(zhǔn)確性，在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，可以參照FBMC技術(shù)中的原型低通濾波器。

1.3面向5G的OFDM技術(shù)

與以上兩種技術(shù)相比，OFDM旁瓣偏大，需要使用濾波OFDM技術(shù)，并預(yù)留好保護(hù)帶，才能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸?shù)哪康?。DOFM技術(shù)的使用需要在符號(hào)中設(shè)置濾波器壓縮旁瓣，并采用UFMC技術(shù)進(jìn)行濾波。這樣，濾波器頻帶就會(huì)增寬，對器件性能的要求也會(huì)降低，OFDM技術(shù)在每組子載波上，會(huì)構(gòu)成子帶，各個(gè)子帶之間是不會(huì)出現(xiàn)交疊問題的。此外，該種技術(shù)的應(yīng)用不需要應(yīng)用CP，這主要基于兩個(gè)原因：首先，同一個(gè)自帶中會(huì)出現(xiàn)載波間干擾，需要在接收端來處理；其次，濾波時(shí)域拖尾會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)符號(hào)干擾問題，因此，需要使用時(shí)域保護(hù)間隔。

二、三種無線多載波傳輸技術(shù)的比較

FBMC技術(shù)有著實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高、頻譜效率高的優(yōu)勢，且不需要CP的參與，但是，為了達(dá)到更為理想的頻率效率，需要應(yīng)用OQAM，關(guān)于這一技術(shù)的應(yīng)用，目前學(xué)界已經(jīng)開始進(jìn)行了深入的研究。而GFDM需要使用CP，因此，這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)更加的簡單，在特定的環(huán)境下，可以轉(zhuǎn)化為OFDM。這幾種技術(shù)在接受機(jī)復(fù)雜度、頻譜效率、多址接入靈活性上有著良好的效果，能夠解決5G技術(shù)在發(fā)展過程中存在的不足，是現(xiàn)階段下5G多載波傳輸技術(shù)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。從計(jì)算復(fù)雜型上進(jìn)行分析，OFDM在三種技術(shù)中的計(jì)算是最為簡單的，其次就是GFDM技術(shù)與FBMC技術(shù)，其旁瓣抑制也顯著優(yōu)于OFDM技術(shù)。其中，F(xiàn)BMC不需要應(yīng)用CP，且子帶濾波器重疊，因此，其頻譜效率優(yōu)于GFDM技術(shù)，但是，F(xiàn)BMC技術(shù)的應(yīng)用會(huì)受到OQAM的限制。GFDM沒有上述的缺陷，使用起來非常靈活，只要應(yīng)用簡單的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)就可以完成任務(wù)，UFMC則是上述兩種技術(shù)的中間點(diǎn)。

結(jié)束語：綜上所述，5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用為帶來了革命性的變化，具體使用哪種技術(shù)，需要根據(jù)均衡器來進(jìn)行決定，就現(xiàn)階段來看，怎樣實(shí)現(xiàn)OFDM的頻域單點(diǎn)均衡，依然是一個(gè)有待進(jìn)行深入研究的問題。相信在不久的將來，面向5G的無線寬帶多載波傳輸技術(shù)定能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]丁巖，下一代通信網(wǎng)絡(luò)無線傳輸技術(shù)的研究[J]，中小企業(yè)管理與科技，2015.08

[2]趙錦程，黃斐一，孔繁盛，面向5G的無線寬帶傳輸技術(shù)[J]，移動(dòng)通信，2015.09