在進(jìn)入主題之前,我覺得首先應(yīng)該弄清楚一個(gè)問題:為什么需要 5G ?不是因?yàn)橥ㄐ殴こ處焸兺蝗幌敫淖兪澜,而炮制了一個(gè)5G。是因?yàn)橄扔辛诵枨螅庞辛?G。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(shí)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(dòng),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(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(gè)SIC(持續(xù)干擾消除),通過這個(gè)干擾消除器,加上信道編碼(如Turbo code或低密度奇偶校驗(yàn)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(dòng)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(gè)信道的CSI(信道狀態(tài)信息),從而有望在高速移動(dòng)場景下獲得更好的性能,并能組建更好的移動(dòng)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(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(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(gè)符號后停留一段時(shí)間(不發(fā)送任何信息),接下來再發(fā)送第二個(gè)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。以下圖為例:

藍(lán)色手機(jī)處于 4G 小區(qū)覆蓋邊緣,信號較差,且有建筑物(房子)阻擋,此時(shí),就可以通過毫米波傳輸,繞過建筑物阻擋,實(shí)現(xiàn)高速傳輸。
同樣,粉色手機(jī)同樣可以使用毫米波實(shí)現(xiàn)與4G小區(qū)的連接,且不會產(chǎn)生干擾。
當(dāng)然,由于綠色手機(jī)距離4G小區(qū)較近,可以直接和4G小區(qū)連接。
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(dòng)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(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的間距排列在一個(gè)個(gè)方格中,則:如果工作頻段為3. 5G Hz,就可部署16副天線;如工作頻段為10GHz,就可部署169根天線。。。。。

3D-MIMO技術(shù)在原有的MIMO基礎(chǔ)上增加了垂直維度,使得波束在空間上三維賦型,可避免了相互之間的干擾。配合大規(guī)模MIMO,可實(shí)現(xiàn)多方向波束賦型。

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(dòng)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(shí)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(cuò),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(gè)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。