5G承載網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

鐘林鋼

摘要：5G將是全頻譜接入，到5G，技術(shù)和頻譜將與頻段解耦，將有一個(gè)統(tǒng)一的空口技術(shù)，統(tǒng)一的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，低頻的宏蜂窩，中高頻的微蜂窩，高頻的本地接入，對(duì)于最終用戶來(lái)說(shuō)，感受不到是采用什么接入技術(shù)，也感受不到是許可頻段還是免許可頻段。

關(guān)鍵詞：5G;關(guān)鍵技術(shù);許可頻段

一、5G發(fā)展背景

一個(gè)5G。是因?yàn)橄扔辛诵枨螅庞辛?G。什么需求？未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)將會(huì)面對(duì)：1000倍的數(shù)據(jù)容量增長(zhǎng)，10到100倍的無(wú)線設(shè)備連接，10到100倍的用戶速率需求，10倍長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間需求等等。坦白的講，4G網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足這些需求，所以5G就必須登場(chǎng)。

但是，5G不是一次革命。5G是4G的延續(xù)，相信5G在核心網(wǎng)部分不會(huì)有太大的變動(dòng)，5G的關(guān)鍵技術(shù)集中在無(wú)線部分。雖然5G最終將采用何種技術(shù)，目前還沒(méi)有定論。本文收集了5大關(guān)鍵技術(shù)，分別對(duì)這些技術(shù)作簡(jiǎn)要介紹

二、5G的關(guān)鍵技術(shù)

1、非正交多址接入技術(shù)（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）

NOMA不同于傳統(tǒng)的正交傳輸，在發(fā)送端采用非正交發(fā)送，主動(dòng)引入干擾信息，在接收端通過(guò)串行干擾刪除技術(shù)實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)。與正交傳輸相比，接收機(jī)復(fù)雜度有所提升，但可以獲得更高的頻譜效率。非正交傳輸?shù)幕舅枷胧抢脧?fù)雜的接收機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)?yè)Q取更高的頻譜效率，隨著芯片處理能力的增強(qiáng)，將使非正交傳輸技術(shù)在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。NOMA的思想是，重拾3G時(shí)代的非正交多用戶復(fù)用原理，并將之融合于現(xiàn)在的4G OFDM技術(shù)之中。

從2G，3G到4G，多用戶復(fù)用技術(shù)無(wú)非就是在時(shí)域、頻域、碼域上做文章，而NOMA在OFDM的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)維度——功率域。新增這個(gè)功率域的目的是，利用每個(gè)用戶不同的路徑損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)多用戶復(fù)用。

2、濾波組多載波技術(shù)（FBMC）

FBMC利用一組不交疊的帶限子載波實(shí)現(xiàn)多載波傳輸，F(xiàn)MC對(duì)于頻偏引起的載波間干擾非常小，不需要CP（循環(huán)前綴），較大的提高了頻率效率。

3、毫米波（Millimeter Waves ，mm Waves）

什么叫毫米波？頻率30GHz到300GHz，波長(zhǎng)范圍10到1毫米。由于足夠量的可用帶寬，較高的天線增益，毫米波技術(shù)可以支持超高速的傳輸率，且波束窄，靈活可控，可以連接大量設(shè)備?；诤撩撞ǖ囊苿?dòng)通信回程，在采用毫米波信道作為移動(dòng)通信的回程后，疊加型網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)就將具有很大的靈活性（筆者注：相對(duì)于有線方式的移動(dòng)通信回程。因?yàn)樵谖磥?lái)的5G時(shí)代，小/微基站的數(shù)目將非常龐大，而且部署方式也將非常復(fù)雜），可以隨時(shí)隨地根據(jù)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)需求部署新的小基站，并可以在空閑時(shí)段或輕流量時(shí)段靈活、實(shí)時(shí)關(guān)閉某些小基站，從而可以收到節(jié)能降耗之效。

4、大規(guī)模MIMO技術(shù)（3D /Massive MIMO）

MIMO技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于WIFI、LTE等。理論上，天線越多，頻譜效率和傳輸可靠性就越高。

具體而言，當(dāng)前LTE 基站的多天線只在水平方向排列，只能形成水平方向的波束，并且當(dāng)天線數(shù)目較多時(shí)，水平排列會(huì)使得天線總尺寸過(guò)大從而導(dǎo)致安裝困難。而5G 的天線設(shè)計(jì)參考了軍用相控陣?yán)走_(dá)的思路，目標(biāo)是更大地提升系統(tǒng)的空間自由度?；谶@一思想的LSAS 技術(shù)，通過(guò)在水平和垂直方向同時(shí)放置天線，增加了垂直方向的波束維度，并提高了不同用戶間的隔離（如圖1 所示）。同時(shí)，有源天線技術(shù)的引入還將更好地提升天線性能，降低天線耦合造成能耗損失，使LSAS 技術(shù)的商用化成為可能。

由于LSAS 可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整水平和垂直方向的波束，因此可以形成針對(duì)用戶的特定波束，并利用不同的波束方向區(qū)分用戶?；贚SAS的3D 波束成形可以提供更細(xì)的空域粒度，提高單用戶MIMO 和多用戶MIMO 的性能。

基于3D 波束成形技術(shù)的用戶區(qū)分，大規(guī)模MIMO技術(shù)可以由一些并不昂貴的低功耗的天線組件來(lái)實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)在高頻段上進(jìn)行移動(dòng)通信提供了廣闊的前景，它可以成倍提升無(wú)線頻譜效率，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和系統(tǒng)容量，幫助運(yùn)營(yíng)商最大限度利用已有站址和頻譜資源。

我們以一個(gè)20平方厘米的天線物理平面為例，如果這些天線以半波長(zhǎng)的間距排列在一個(gè)個(gè)方格中，則：如果工作頻段為3.5GHz，就可部署16副天線;如工作頻段為10GHz，就可部署169根天線了。

5、認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)（Cognitive radio spectrum sensing techniques）

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)最大的特點(diǎn)就是能夠動(dòng)態(tài)的選擇無(wú)線信道。在不產(chǎn)生干擾的前提下，手機(jī)通過(guò)不斷感知頻率，選擇并使用可用的無(wú)線頻譜。

三、5G未來(lái)前景

5G時(shí)代的技術(shù)特征主要有三點(diǎn)：一是大容量，不僅是大家常說(shuō)的1000倍容量增長(zhǎng)，還包括用戶接入速率最高可達(dá)10Gbps，實(shí)現(xiàn)光纖般的接入體驗(yàn)，使得用戶感受不到時(shí)延，與網(wǎng)絡(luò)“零距離”;二是大規(guī)模接入數(shù)量，5G不僅提供H2H的服務(wù)，還包括M2M、H2M，而未來(lái)的增長(zhǎng)很大程度上來(lái)自于Internet of Things，這不僅帶來(lái)技術(shù)上的變化，還會(huì)給商業(yè)模式也帶來(lái)巨大的變革。

為了支撐無(wú)線業(yè)務(wù)持續(xù)增長(zhǎng)，以及支撐ICT產(chǎn)業(yè)迎接大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將會(huì)在2020-2030年間投入運(yùn)營(yíng)。其中最關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)因素是未來(lái)十年內(nèi)1000倍的無(wú)線數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)、1000億鏈接的物鏈網(wǎng)無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的新商機(jī)、以及全頻譜無(wú)線接入所帶來(lái)的超高速無(wú)線鏈接。這樣的高速無(wú)線鏈接能給用戶帶來(lái)光纖般的體驗(yàn)——10 G bit每秒——比當(dāng)今市面上最快的移動(dòng)終端還要快100倍！以此實(shí)現(xiàn)信息管道的極致境界：超寬帶，零等待，全智能，終端客戶與網(wǎng)絡(luò)的距離將完全消失。

參考文獻(xiàn)

[1]基于FTP的愛(ài)立信性能統(tǒng)計(jì)傳送速率探討[J].黎春強(qiáng). 廣西通信技術(shù).2017（02）

[2]5G在高校智慧校園中應(yīng)用研究[J].徐俊波. 中國(guó)新通信.2020（08）

[3]5G在高鐵場(chǎng)景下的應(yīng)用研究[J].張暉. 電子元器件與信息技術(shù).2021（01）