孫智博

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淺談5G移動(dòng)通信技術(shù)

孫智博

中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000

隨著4G已經(jīng)投入商用，但是日益增長(zhǎng)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(yùn)而生?；仡櫼苿?dòng)通信近年來的發(fā)展歷程，5G具有大容量、高速率、低時(shí)延的特點(diǎn)。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(dòng)通信行業(yè)發(fā)展迅猛，從第一代移動(dòng)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(dòng)通信，人們不斷享受著科技進(jìn)步給生活帶來的精彩的同時(shí)，對(duì)5G更加期待。對(duì)于5G的需求，主要分為以下兩個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò)需求和用戶體驗(yàn)。從網(wǎng)絡(luò)需求的角度來看，以下幾點(diǎn)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(yùn)營簡(jiǎn)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(dòng)力，從用戶需求的角度來看：（1）更快的速度；（2）更低的時(shí)延；（3）更加大的覆蓋范圍；（4）更好的移動(dòng)性。5G移動(dòng)通信的出現(xiàn)，將會(huì)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(yàn)，使人們可以無時(shí)不刻地使用無線設(shè)備來進(jìn)行即時(shí)互動(dòng)。這樣，使得更加多的“物體”連入網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)社會(huì)更加智能化，推動(dòng)社會(huì)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(jī)上使用超過64根天線，以此實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的基站收發(fā)信機(jī)架構(gòu)。由于通過的天線單元進(jìn)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(biāo)移動(dòng)終端上，從而降低了輻射功率。[1]

（2）毫米波通信。由于當(dāng)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(zhǎng)度，所以通信的波長(zhǎng)也不能太長(zhǎng)，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(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，在上層進(jìn)行控制，進(jìn)而將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都實(shí)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(shí)都是OFDM（正交頻分復(fù)用）的改進(jìn)，而OFDM技術(shù)雖好，但也存在頻譜旁瓣高、對(duì)同步性要求高的缺點(diǎn)。且隨著物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器與機(jī)器間通信的普及，通信會(huì)對(duì)異步要求越來越高。基于這些，上述新型多載波技術(shù)的發(fā)展也是相當(dāng)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(yàn)。

（6）認(rèn)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(dòng)態(tài)接入的機(jī)制，進(jìn)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(rèn)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(diǎn)，并從環(huán)境中不斷學(xué)習(xí)，有目的地實(shí)時(shí)改變一些操作參數(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的高可靠性通信以及對(duì)有限的無線頻譜資源進(jìn)行高效利用。認(rèn)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(xué)習(xí)能力，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)利用頻譜和頻譜分享。認(rèn)知無線電中，次級(jí)用戶通過動(dòng)態(tài)地搜索頻譜空穴進(jìn)行通信，這種技術(shù)稱為動(dòng)態(tài)頻譜接入。當(dāng)主用戶已經(jīng)占用某個(gè)授權(quán)頻段時(shí)，次級(jí)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(diǎn)技術(shù)

個(gè)人認(rèn)為大規(guī)模MIMO和基于濾波器組的多載波比較難實(shí)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(qiáng)，使得網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)用戶可以在同時(shí)在同一個(gè)頻率資源上與基站同時(shí)進(jìn)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(dāng)天線數(shù)量足夠大時(shí)，最簡(jiǎn)單的線性預(yù)編碼和線性檢測(cè)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(jì)。但是也存在以下難點(diǎn)：（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(chǎng)實(shí)測(cè)得出一些參數(shù)，然后用于計(jì)算機(jī)仿真。（2）空分多址方案。就是如何對(duì)一個(gè)大維矩陣在某個(gè)域內(nèi)稀疏化，從而挖掘空間資源。（3）信道參數(shù)估計(jì)。上下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸需要對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，天線數(shù)目過多，需要估計(jì)的量也會(huì)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(diǎn)使其難以滿足新場(chǎng)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(diǎn)時(shí)，高要求的同步的代價(jià)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(jìn)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(jìn)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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