解讀 5G 八大關(guān)鍵技術(shù)

5G 不是一次革命，5G 是 4G 的延續(xù)，我相信 5G 在核心網(wǎng)部分不會有太大的變動，5G 的關(guān)鍵技術(shù)集中在無線部分。

在進(jìn)入主題之前，我覺得首先應(yīng)該弄清楚一個問題：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 5G。是因為先有了需求，才有了5G。什么需求？未來的網(wǎng)絡(luò)將會面對：1000倍的數(shù)據(jù)容量增長，10到 100倍的無線設(shè)備連接，10 到 100 倍的用戶速率需求，10 倍長的電池續(xù)航時間需求等等。坦白的講，4G網(wǎng)絡(luò)無法滿足這些需求，所以 5G 就必須登場。

但是，5G 不是一次革命。5G 是 4G 的延續(xù)，我相信 5G 在核心網(wǎng)部分不會有太大的變動，5G 的關(guān)鍵技術(shù)集中在無線部分。雖然 5G 最終將采用何種技術(shù)，目前還沒有定論。不過，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(dāng)然，應(yīng)該遠(yuǎn)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(jī)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)來解決手機(jī)和小區(qū)之間的遠(yuǎn)-近問題。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題，而且和 MIMO 技術(shù)配合，極大的提高了數(shù)據(jù)速率。由于多用戶正交，手機(jī)和小區(qū)之間就不存在遠(yuǎn)-近問題，快速功率控制就被舍棄，而采用 AMC（自適應(yīng)編碼）的方法來實(shí)現(xiàn)鏈路自適應(yīng)。NOMA 希望實(shí)現(xiàn)的是，重拾 3G 時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)無非就是在時域、頻域、碼域上做文章，而NOMA 在 OFDM 的基礎(chǔ)上增加了一個維度——功率域。新增這個功率域的目的是，利用每個用戶不同的路徑損耗來實(shí)現(xiàn)多用戶復(fù)用。實(shí)現(xiàn)多用戶在功率域的復(fù)用，需要在接收端加裝一個 SIC（持續(xù)干擾消除），通過這個干擾消除器，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(qū)分出不同用戶的信號。

NOMA 可以利用不同的路徑損耗的差異來對多路發(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(qū)覆蓋范圍的所有移動設(shè)備都能獲得最大的可接入帶寬，可以解決由于大規(guī)模連接帶來的網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)。NOMA 的另一優(yōu)點(diǎn)是，無需知道每個信道的 CSI（信道狀態(tài)信息），從而有望在高速移動場景下獲得更好的性能，并能組建更好的移動節(jié)點(diǎn)回程鏈路。

2. FBMC（濾波組多載波技術(shù)）

在 OFDM 系統(tǒng)中，各個子載波在時域相互正交，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(yīng)用在無線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中，在 OFDM系統(tǒng)中，由于無線信道的多徑效應(yīng)，從而使符號間產(chǎn)生干擾。為了消除符號問干擾(ISl)，在符號間插入保護(hù)間隔。插入保護(hù)間隔的一般方法是符號間置零，即發(fā)送第一個符號后停留一段時間(不發(fā)送任何信息)，接下來再發(fā)送第二個符號。在 OFDM系統(tǒng)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(dǎo)致了子載波之間的干擾(ICI)。因此，這種方法在OFDM系統(tǒng)中不能采用。在OFDM系統(tǒng)中，為了既可以消除 ISI，又可以消除 ICI，通常保護(hù)間隔是由CP（Cycle Prefix ，循環(huán)前綴來)充當(dāng)。CP 是系統(tǒng)開銷，不傳輸有效數(shù)據(jù),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(xiàn)多載波傳輸，F(xiàn)MC 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。

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。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實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)在高頻段上進(jìn)行移動通信提供了廣闊的前景，它可以成倍提升無線頻譜效率，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和系統(tǒng)容量，幫助運(yùn)營商最大限度利用已有站址和頻譜資源。我們以一個 20 平方厘米的天線物理平面為例，如果這些天線以半波長的間距排列在一個個方格中，則：如果工作頻段為 3.5GHz，就可部署 16 副天線。

5.認(rèn)知無線電技術(shù)（Cognitive radio spectrum sensing techniques）

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

6.超寬帶頻譜

信道容量與帶寬和 SNR 成正比，為了滿足 5G 網(wǎng)絡(luò) Gpbs 級的數(shù)據(jù)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(xù)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(guī)模 MIMO），即使是采用相對簡單的調(diào)制技術(shù)（比如 QPSK),也可以實(shí)現(xiàn)在 1Ghz 的超帶寬上實(shí)現(xiàn) 10Gpbs 的傳輸速率。

7. ultra-dense Hetnets（超密度異構(gòu)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)，來滿足數(shù)據(jù)容量增長要求。到了 5G 時代，更多的物-物連接接入網(wǎng)絡(luò)，HetNet 的密度將會大大增加。

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

如果沒有記錯，3GPP R12 已經(jīng)提到這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。未來的網(wǎng)絡(luò)是一個融合的網(wǎng)絡(luò)，載波聚合技術(shù)不但要實(shí)現(xiàn) LTE內(nèi)載波間的聚合，還要擴(kuò)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(xiàn)萬物之間的無縫連接。