關(guān)于5G的多載波傳輸技術(shù)的研究

摘? 要：5G是第五代移動通訊技術(shù)的簡稱，也是移動通訊在未來發(fā)展的必然趨勢，2009年華為公司開始了相關(guān)科技的研發(fā)工作，建立了原型機基站。之后數(shù)年，韓國三星公司、美國高通公司等多家世界知名企業(yè)都開始了與5G相關(guān)的技術(shù)研發(fā)，并預(yù)計在2020年將5G正式推廣。多載波技術(shù)是5G系統(tǒng)的核心，是將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)流進行傳輸?shù)募夹g(shù)。文章將介紹幾種目前常用的多載波傳輸技術(shù)，并進行相互之間的分析與比較，供大家參考借鑒。

關(guān)鍵詞：5G;多載波;傳輸技術(shù)

中圖分類號：TN929.5? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）09-0070-02

0? 引? 言

無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的數(shù)量與種類的不斷增加，對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率提出了更高的要求。因此5G成為了人們關(guān)注的重點，世界很多知名企業(yè)都開啟了針對5G的專項研究。多載波傳輸技術(shù)是實現(xiàn)5G的核心，4G中使用的正交頻分復(fù)用技術(shù)就是其中的一個技術(shù)分支。5G對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、時延都有非常嚴格的要求，因此需要不斷開發(fā)多載波技術(shù)，推進5G的發(fā)展。

1? 主要的5G無線寬帶多載波傳輸技術(shù)

1.1? 濾波器組多載波（FBMC）技術(shù)

濾波器組多載波是一種頻譜利用率高，并且不需要同步的傳輸技術(shù)，應(yīng)用一種并行的、可以過濾出特定范圍頻率分量的多載波信號的濾波器，由發(fā)送端的綜合濾波器組與接收端的分析濾波器組構(gòu)成，并且互為逆向結(jié)構(gòu)。一般來講，兩個濾波器組是由同類濾波器設(shè)計組裝而成，可以有效減少符號間存在的干擾，濾波器的疊加方式參考了原有的正交頻分復(fù)用技術(shù)。數(shù)據(jù)通過偏移正交幅度調(diào)制方法進行處理，可以形成不同的載頻，并在不同的子載波上進行濾波，加大了濾波的效率，加快了進度。

濾波器組多載波的原理是在接收端輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換后，通過偏移正交幅度調(diào)制來降低干擾并直接輸入濾波器組，接收端逆變換，從而與快速傅里葉變換（FFT）的比特率保持一致，并提高每一個子載波的利用率。通過該技術(shù)可以顯著降低帶外功率泄露。因為濾波器的連接不需要正交，所以可以減小保護間隔的頻率，提高信號的時頻效率，但是會造成符號之間的干擾。

與正交頻分復(fù)用對比，濾波器組多載波技術(shù)靈活性與信號處理能力更高，技術(shù)應(yīng)用的限制相對較小。但是該技術(shù)的計算復(fù)雜度較高，常規(guī)的算法無法滿足計算需求，目前一般使用快速傅里葉變換算法。除此之外，濾波器組多載波的旁瓣水平不高，不適合短距離數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

1.2? 廣義頻分復(fù)用（GFDM）技術(shù)

該技術(shù)的主要應(yīng)用方向是作為5G蜂窩系統(tǒng)物理層的一種備選波形方案，是為了取代當(dāng)前4G中使用的正交頻分復(fù)用，同時解決了后者存在的帶外功率泄露大、需要嚴格同步、峰值平均功率比高等問題，該技術(shù)當(dāng)前仍處于開發(fā)階段。其原理在于每一幀上有K個子載波與M個子符號，并通過技術(shù)手段將濾波轉(zhuǎn)換成為周期卷積，且每一幀只需要一個循環(huán)前綴，避免循環(huán)前綴在傳輸過程中會出現(xiàn)丟失的問題。該技術(shù)并不要求嚴格同步，只在每一個子載波上實現(xiàn)同步即可，技術(shù)研發(fā)時，還消除了載波間存在的干擾。濾波子載波的處理方法使廣義頻分復(fù)用的帶外功率泄露很小，同時廣義頻分復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)靈活，可以根據(jù)要求進行設(shè)計。上述的這些優(yōu)點使廣義頻分復(fù)用被主要應(yīng)用在5G開發(fā)階段，同時取得了較大的進展。總結(jié)GFDM技術(shù)優(yōu)勢為：

（1）濾波子載波的處理方法使得GFDM的帶外輻射性能比傳統(tǒng)的OFDM好很多。

（2）幀結(jié)構(gòu)比較靈活。

（3）通過濾波和加窗處理方式能夠很好地設(shè)計波形所要求的特性。

（4）每幀使用一個CP即可。

（5）在頻域可以實現(xiàn)低復(fù)雜度的均衡。

1.3? 通用濾波多載波（UFMC）技術(shù)

該技術(shù)與濾波器組多載波技術(shù)具有較多的相同點，可以對數(shù)量較大且連續(xù)的子載波進行濾波處理。技術(shù)使用時，可以根據(jù)實際情況來設(shè)置子載波的數(shù)量，當(dāng)其數(shù)值是1時，可以將其視為濾波器組多載波傳輸方式。由于正交頻分復(fù)用技術(shù)存在旁瓣大的問題，因此在使用以及研發(fā)過程中會受到很多限制，除了預(yù)留保護帶寬隔斷信號之間的頻帶，以此來防止多路信號相互干擾以及確保接收濾波器可以實現(xiàn)功能外，還需要使用濾波正交頻分復(fù)用技術(shù)來達到同時向多個地址輸出信號的功能。同時正交頻分復(fù)用還存在很多缺點，如失真、相位漂移、多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的相位差等，都會直接影響到數(shù)據(jù)傳輸，也不能達到5G開發(fā)的基礎(chǔ)要求，因此需要有相應(yīng)的代替技術(shù)來實現(xiàn)其功能，同時改進原有技術(shù)中存在的問題。濾波器組多載波是針對通用諧波的正交頻分復(fù)用，其主要流程為在所有正交頻分復(fù)用符號上設(shè)置一個壓縮旁瓣，這種方式可以有效拓寬頻帶，減少在使用過程中受到其他部件的限制。除此之外，該技術(shù)可以避免子帶之間產(chǎn)生交叉疊加，有效減少干擾的現(xiàn)象。同時時域不會隨著工作的進行而發(fā)生變化，所以子帶不用同步，但頻譜被限制在了固定的數(shù)值，進而提高了整個技術(shù)的應(yīng)用難度。需要注意的是，通用諧波多載波沒有加入循環(huán)前綴，所以雖然子帶之間的干擾問題被解決了，但是子帶個體容易出現(xiàn)內(nèi)部干擾，尤其是在出現(xiàn)重合問題時，這種干擾會影響到整個工作的進行。

2? 幾種無線寬帶多載波傳輸技術(shù)的分析與比較

2.1? 技術(shù)特點

上述的幾種無線寬帶多載波傳輸技術(shù)都是為了實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)而被研發(fā)的，因此符合5G網(wǎng)絡(luò)對于傳輸技術(shù)的相應(yīng)要求，與正交頻分復(fù)用相比，都有了各方面的提升，同時具備不同的優(yōu)勢。濾波器組多載波技術(shù)的優(yōu)勢在于頻譜效率高、不用嚴格同步等，又因為實現(xiàn)的難度小，所以是最先進入研發(fā)階段的，目前已經(jīng)相對成熟，同時也是實現(xiàn)5G的基礎(chǔ)。但該技術(shù)中使用的正交幅度調(diào)制法與多天線技術(shù)的契合度始終不能提升，也會頻頻出現(xiàn)問題，甚至與正交頻分復(fù)用都存在一定差距，所以仍然需要繼續(xù)對其進行研究，并將重點放在如何解決存在的問題上。除此之外，旁瓣水平不高且每一幀長度較大，決定了該技術(shù)不適合應(yīng)用在短距離數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)中，否則容易出現(xiàn)失真的問題。通用濾波多載波技術(shù)由于對濾波器沒有長度方面的限制，因此適合短距離數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，但沒有加入循環(huán)前綴，故不適合使用其在空閑情況下進行同步以及節(jié)能傳輸，可以將濾波器組多載波看作是通用濾波多載波的特殊情況。而廣義頻分復(fù)用依然使用循環(huán)前綴，幀結(jié)構(gòu)相對靈活，收發(fā)機結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，所以可以被廣泛應(yīng)用于各種類型的業(yè)務(wù)中。廣義頻分復(fù)用以及濾波器組多載波的子帶都不要求同步，所以對旁瓣的控制效果要顯著高于正交頻分復(fù)用，濾波器組多載波的頻譜效率高于廣義頻分復(fù)用。需要注意的是，上述三種技術(shù)的接收效果本質(zhì)上都取決于均衡器的設(shè)計。

2.2? 技術(shù)實現(xiàn)的復(fù)雜度

上述的三種技術(shù)是當(dāng)前世界上面向5G的三種主要無線寬帶多載波傳輸技術(shù)，為了滿足當(dāng)前時代的需求，更多的公司加入到了開發(fā)5G的隊列中。對比技術(shù)實現(xiàn)的復(fù)雜度，4G使用的正交頻分復(fù)用的實現(xiàn)最簡易，濾波器組多載波的復(fù)雜度在其之后，需要通過時域來實現(xiàn)，但是也相對簡單。通多上文對技術(shù)的分析，可知廣義頻分復(fù)用與通用諧波多載波位于第三與第四位。在濾波器組多載波（FBMC）中，F(xiàn)BMC-P是指采用時域的實現(xiàn)方式，通過多項網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn);FBMC-E是指采用頻域的實現(xiàn)方式，可以使用擴展的快速傅里葉變換算法來實現(xiàn)。

3? 結(jié)? 論

文章簡述了主要的幾種多載波傳輸技術(shù)，這些都是在開發(fā)5G中的重要技術(shù)，也是5G系統(tǒng)的核心。隨著科技的進步和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷增加，5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了很多公司的研發(fā)目標，其目的是給人們提供更好的網(wǎng)絡(luò)使用體驗，并使自身占據(jù)更多的市場份額。文章中提到，目前主要的多載波傳輸技術(shù)為FBMC、GFDM、UFMC三種，同時均有著各自的優(yōu)點。在研發(fā)工作中，應(yīng)當(dāng)使用哪種技術(shù)需要根據(jù)系統(tǒng)的實際開發(fā)需求以及技術(shù)的適配情況而定。因此，科研人員應(yīng)當(dāng)加大技術(shù)的研究力度，為5G的研發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù) [J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2014，44（5）：551-563.

[2] 馬柯欣.面向5G的無線寬帶多載波傳輸技術(shù)初探 [J].信息通信，2017（9）：244-246.

作者簡介：吳文科（1985-），男，漢族，廣東河源人，項目主管，工程師，本科，研究方向：5G技術(shù)項目監(jiān)理。