解讀 5G 八大關(guān)鍵技術(shù)

5G 不是一次革命，5G 是 4G 的延續，我相信 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(xiàn)部分。

在進(jìn)入主題之前，我覺(jué)得首先應該弄清楚一個(gè)問(wèn)題：為什么需要 5G？不是因為通信工程師們突然想改變世界，而炮制了一個(gè) 5G。是因為先有了需求，才有了5G。什么需求？未來(lái)的網(wǎng)絡(luò )將會(huì )面對：1000倍的數據容量增長(cháng)，10到 100倍的無(wú)線(xiàn)設備連接，10 到 100 倍的用戶(hù)速率需求，10 倍長(cháng)的電池續航時(shí)間需求等等。坦白的講，4G網(wǎng)絡(luò )無(wú)法滿(mǎn)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，我相信 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(xiàn)部分。雖然 5G 最終將采用何種技術(shù)，目前還沒(méi)有定論。不過(guò)，綜合各大高端論壇討論的焦點(diǎn)，我今天收集了 8 大關(guān)鍵技術(shù)。

當然，應該遠不止這些。

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

我們知道 3G 采用直接序列碼分多址（Direct Sequence CDMA ，DS-CDMA）技術(shù)，手機接收端使用 Rake 接收器，由于其非正交特性，就得使用快速功率控制（Fast transmission power control ，TPC)來(lái)解決手機和小區之間的遠-近問(wèn)題。而 4G 網(wǎng)絡(luò )則采用正交頻分多址（OFDM）技術(shù)，OFDM 不但可以克服多徑干擾問(wèn)題，而且和 MIMO 技術(shù)配合，極大的提高了數據速率。由于多用戶(hù)正交，手機和小區之間就不存在遠-近問(wèn)題，快速功率控制就被舍棄，而采用 AMC（自適應編碼）的方法來(lái)實(shí)現鏈路自適應。NOMA 希望實(shí)現的是，重拾 3G 時(shí)代的非正交多用戶(hù)復用原理，并將之融合于現在的 4G OFDM 技術(shù)之中。

從 2G，3G 到 4G,多用戶(hù)復用技術(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(hù)不同的路徑損耗來(lái)實(shí)現多用戶(hù)復用。實(shí)現多用戶(hù)在功率域的復用，需要在接收端加裝一個(gè) SIC（持續干擾消除），通過(guò)這個(gè)干擾消除器，加上信道編碼（如 Turbo code 或低密度奇偶校驗碼（LDPC)等），就可以在接收端區分出不同用戶(hù)的信號。

NOMA 可以利用不同的路徑損耗的差異來(lái)對多路發(fā)射信號進(jìn)行疊加，從而提高信號增益。它能夠讓同一小區覆蓋范圍的所有移動(dòng)設備都能獲得最大的可接入帶寬，可以解決由于大規模連接帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò )挑戰。NOMA 的另一優(yōu)點(diǎn)是，無(wú)需知道每個(gè)信道的 CSI（信道狀態(tài)信息），從而有望在高速移動(dòng)場(chǎng)景下獲得更好的性能，并能組建更好的移動(dòng)節點(diǎn)回程鏈路。

2. FBMC（濾波組多載波技術(shù)）

在 OFDM 系統中，各個(gè)子載波在時(shí)域相互正交，它們的頻譜相互重疊，因而具有較高的頻譜利用率。OFDM 技術(shù)一般應用在無(wú)線(xiàn)系統的數據傳輸中，在 OFDM系統中，由于無(wú)線(xiàn)信道的多徑效應，從而使符號間產(chǎn)生干擾。為了消除符號問(wèn)干擾(ISl)，在符號間插入保護間隔。插入保護間隔的一般方法是符號間置零，即發(fā)送第一個(gè)符號后停留一段時(shí)間(不發(fā)送任何信息)，接下來(lái)再發(fā)送第二個(gè)符號。在 OFDM系統中，這樣雖然減弱或消除了符號間干擾，由于破壞了子載波間的正交性，從而導致了子載波之間的干擾(ICI)。因此，這種方法在OFDM系統中不能采用。在OFDM系統中，為了既可以消除 ISI，又可以消除 ICI，通常保護間隔是由CP（Cycle Prefix ，循環(huán)前綴來(lái))充當。CP 是系統開(kāi)銷(xiāo)，不傳輸有效數據,從而降低了頻譜效率。而 FBMC 利用一組不交疊的帶限子載波實(shí)現多載波傳輸，FMC 對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（millimetre waves ，mmWaves)

什么叫毫米波？頻率 30GHz 到 300GHz,波長(cháng)范圍 10 到 1 毫米。由于足夠量的可用帶寬，較高的天線(xiàn)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，可以連接大量設備。

4. 大規模 MIMO 技術(shù)（3D /Massive MIMO）

MIMO 技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于 WIFI、LTE 等。理論上，天線(xiàn)越多，頻譜效率和傳輸可靠性就越高。大規模 MIMO 技術(shù)可以由一些并不昂貴的低功耗的天線(xiàn)組件來(lái)實(shí)現，為實(shí)現在高頻段上進(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(xiàn)頻譜效率，增強網(wǎng)絡(luò )覆蓋和系統容量，幫助運營(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(xiàn)物理平面為例，如果這些天線(xiàn)以半波長(cháng)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(xiàn)。

5.認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)（Cognitive radio spectrum sensing techniques）

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

6.超寬帶頻譜

信道容量與帶寬和 SNR 成正比，為了滿(mǎn)足 5G 網(wǎng)絡(luò ) Gpbs 級的數據速率，需要更大的帶寬。頻率越高，帶寬就越大，信道容量也越高。因此，高頻段連續帶寬成為 5G 的必然選擇。得益于一些有效提升頻譜效率的技術(shù)（比如：大規模 MIMO），即使是采用相對簡(jiǎn)單的調制技術(shù)（比如 QPSK),也可以實(shí)現在 1Ghz 的超帶寬上實(shí)現 10Gpbs 的傳輸速率。

7. ultra-dense Hetnets（超密度異構網(wǎng)絡(luò )）

立體分層網(wǎng)絡(luò )（HetNet）是指，在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò )層中布放大量微蜂窩（Microcell）、微微蜂窩（Picocell）、毫微微蜂窩（Femtocell）等接入點(diǎn)，來(lái)滿(mǎn)足數據容量增長(cháng)要求。到了 5G 時(shí)代，更多的物-物連接接入網(wǎng)絡(luò )，HetNet 的密度將會(huì )大大增加。

8. 多技術(shù)載波聚合（multi-technology carrier aggregation）

如果沒(méi)有記錯，3GPP R12 已經(jīng)提到這一技術(shù)標準。未來(lái)的網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)融合的網(wǎng)絡(luò )，載波聚合技術(shù)不但要實(shí)現 LTE內載波間的聚合，還要擴展到與 3G、WIFI 等網(wǎng)絡(luò )的融合。多技術(shù)載波聚合技術(shù)與 HetNet 一起，終將實(shí)現萬(wàn)物之間的無(wú)縫連接。