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摘要：5G是作为新一代的蜂窝系统，预计2020年实行商用部署。新系统的数据传输速度有可能是目前4G网络传输能力的1000倍，达到超过10Gbps的超高传输速率。5G还将拥有支持海量设备连接的能力，来支持日益扩大的M2M应用市场，为大规模的终端设备提供连接。
关键词：5G；关键技术；探讨
IMT-2020（5G）推进组在《5G无线技术架构白皮书》提出，“传统的移动通信升级换代都是以多址接入技术为主线，5G的无线技术创新来源将更加丰富”。除了稀疏码分多址(SCMA)、多用户共享接入(MUSA）、图样分割多址（PDMA）等新型多址技术外，大规模天线、超密集组网和高频通信（包含于全频谱接入）等技术都是5G的关键技术。
1新型多址技术
新型多址技术是通过信号在空/时/频/码域的叠加传输，来提升系统在各种场景下的频谱效率和接入能力。不仅如此，新型多址技术的免调度传输性能，还可以减少信令的开销，缩短接入时延，节省通信成本。目前的新型多址技术方案主要包括以下四种，分别是基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址技术（SCMA），基于复数多元码和增强叠加编码的多用户共享接入技术（MUSA），基于非正交特征图样的图样分割多址技术（PDMA），还有基于功率叠加的非正交多址技术（NOMA）。
（1）SCMA
稀疏码多址（SCMA）是非正交码和功率域复用方案，其中数据流或用户在下行链路（DL）或上行链路（UL）中复用在相同的时间/频率资源上。信道编码比特被映射到稀疏多维码字，并且由一个或几个所谓的层组成的不同用户的信号被叠加并且承载在OFDMA波形上。因此，层或用户在码和功率域中重叠，并且如果层的数量高于码字长度，则系统过载。与CDMA比，SCMA应用更先进的扩展序列，通过码本的优化来提供更高的编码增益和附加的成行增益。为了实现高吞吐量增益，需要接近最优检测的高级接收机，可以通过基于消息传递算法（MPA）来进行解码。
在非正交稀疏编码叠加技术的帮助下，同样资源情况时，SCMA技术可以同时连接更多的用户。同时还可以利用盲检测技术搭配SCMA中对码字碰撞不敏感的特性，实现免调度传输，降低通信复杂性并减少时延，从而更适用于数据小、功耗低、成本低的物联网。
在使用相同频谱的情况下，SCMA可以通过引入码域的多址，使用更多数量的载波组，同时调整稀疏度（多个子载波中单用户承载数据的子载波数），从而大幅的提高频谱效率，使频谱效率提升3倍以上。
（2）PDMA
PDMA技术根据多用户信息理论，在发送端采用图样分割技术，对用户信号进行合理的分割，在接收端采用相应的串行干扰删除（SIC），可以无限接近多址接入信道的容量界。用户图样的设计可以独立进行，例如在空域、码域和功率域，也可在多个信号域联合进行。图样分割技术通过在发送端优化用户特征图样，加大不同用户的特征，从而提高接收端的串行干扰删除的检测性能。
（4）NOMA
NOMA的主要思想是利用功率域，以便在相同的资源上复用多个用户，并且在接收端依靠诸如SIC的高级接收机分离多路复用的用户。它基本上是结合高级调度，直接实现的重叠编码与SIC的理论思想。
NOMA拥有三个技术特点，包括接收端串行干扰删除（SIC）技术，发送端功率复用技术，不依赖用户反馈CSI技术。
NOMA技术融合了一些3G和4G的技术和思想。例如4G中用到的OFDM技术以及3G中用到的SIC技术。但是NOMA拥有比传统的CDMA（3G）和OFDM（4G）明显的性能优势。
与之前的CDMA和OFDMA相比，NOMA子信道之间采用正交传输，因此不会存在跟3G时一样明显的远近效应问题，同时多址干扰（MAI）问题大大减少；由于不必依赖用户反馈的CSI信息，加上AMC和功率复用技术，就可以更加自如的应对各种多变的链路状态，甚至在高速移动的环境下，依然有良好地速率表现；跟4G相比，NOMA技术可以使多个用户共享同一子信道，这样在保证传输速度的同时，可以提升频谱效率。频谱效率将是5G重点关注的一个技术方向，而非正交多址技术（NOMA）在满足移动业务速率需求的同时又能提高频谱效率，有可能成为5G不可或缺的新型多址技术
2大规模天线阵列
MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术即多出多入技术，指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和多个接收天线，通过发射端与接收端的多个天线传送和接收信号，从而提高通信质量。它通过多天线多用户空分技术，充分利用空间资源，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可成倍提高系统信道容量，从而提升频谱效率。大规模MIMO技术已作为5G的关键技术之一，可以最大化的利用运营商的现有资源。
作为已经在4G系统中得以广泛应用的MIMO技术，5G系统中的超高传输速率和系统容量等将是MIMO技术的挑战难点，继续增加天线数量仍将是MIMO技术的进化方向。根据概率论统计，当基站侧天线数无穷大于用户侧天线数时，基站与用户的信道将趋于正交，这时，用户间干扰将降到最小，并且大规模的阵列增益将能够大大的提高每个用户的信噪比，在相同的时频资源上传输的用户数也将会大大的提升。
大规模MIMO的特点是：在基站覆盖区域内，以大规模阵列的方式集中放置数十根甚至数百根以上的天线。这样的天线阵列有两个好处：第一，由于大规模天线配置带来更多的空间自由，多个基站覆盖范围内的用户可以同时在同一时频资源上和基站进行通信，大幅的提升了频谱效率；第二，大规模天线带来更多的阵列增益和分集增益，可以增加用户和基站之间的通信功率效率。
在应用过程中，通过大规模天线技术，基站可以在三维空间拥有高增益窄细波束，通过其高空间分辨能力，基站可以提供更灵活的空间复用能力，改善接收信号的强度，更大地降低用户间干扰，达到更高的系统容量和频谱效率。
当然，大规模MIMO有着必须克服的各种挑战。一个关键挑战是导频污染，即对于具有要估计的许多信道分量的大规模MIMO，如果导频开销要保持合理，则信道必然会受到影响，要克服导频污染，基于导频功率控制，利用稀疏信道属性的编码导频或者小区内导频序列的随机使用都是待选项。进一步的挑战涉及资源分配，即要对由大规模MIMO服务的用户正确分组，以及混合波束形成中的实际收发器的设计，其中预编码的一部分在数字基带中执行，一部分在模拟域中执行。
3超密集组网
超密集组网技术通过把无线网络的基础设施部署的更加“密集化”，从而提升频率复用的效率，进而将局部热点区域的系统容量提升百倍的数量级，这就得以满足2020年及以后的移动数据流量增长的需求。超密集组网可以应用在以下场景：密集住宅、密集街区、办公区、校园、体育场、地铁站等。随着目前小区部署密度的增加，干扰、站址资源、传输资源、移动性及部署成本等问题，都将成为超密集组网将要面对的新的技术挑战。为了满足未来的场景需求和新的技术挑战，以易部署、易营维、用户体验轻快的新型网络为目标，超密集组网技术的主要研究内容包括虚拟化小区、干扰的管理和抑制、接入和回传联合设计。
图3-1 超密集组网关键技术示意图
4全频谱接入
全频谱接入通过利用移动通信频谱资源来提高数据传输速率和系统容量。5G的优选频段可以是信道传播特性叫号的6GHz以下频段，而6~100GHz的高频段作为5G的辅助频段，为5G增添了更加丰富的空闲频谱资源。全频谱接入技术面临的主要挑战包括信道测量与建模、低频和高频统一设计、高频器件以及高频接入回传一体化。
全频谱接入涉及6GHz以下低频段和6~100GHz高频段，其中低频段是5G的核心频段，用于无缝覆盖；高频段作为辅助频段，用于热点区域的速率提升。全频谱接入由低频和高频混合组网，低频负责无缝覆盖，高频用于提升热点区域的速率，共同满足5G网络无缝覆盖、高速率、大容量等需求。由于高频段传播特性与6GHz以下的低频段明显不同，全频谱接入的研究重点集中于高频段在移动通信中的应用，目前研究的6-100GHz高频段拥有充足的空闲频谱资源，可有效满足5G对更高容量和速率的需求，支持10Gbps以上的用户传输速率。
目前，高频通信在无线局域网（WLAN）和军事通信等方面已获得应用，但是在蜂窝通信领域的研究还处在初级阶段。高频信号在移动状态下，由于其传播损耗大、信道变化快、绕射能力差等原因，容易因障碍物发生反射、散射甚至被大气吸收，因此还需对高频信道测量与建模、组网技术、高频新空口以及器件等方面开展深入研究。
高频段拥有充足的频谱资源，因此高频通信明显的提升了数据传输速率和系统容量，开启了蜂窝通信新篇章。但是要实现高频通信的标准化和产业化，还需要在信道传播特性、高低频组网、空口技术和射频器件等方面开发新的技术。
参考文献
[1]陈鹏，5G：关键技术与系统演进，2016.01
[2]杨峰义等，5G网络架构，2017.01
[3]张长青，浅析5G网络对移动互联网的影响，2015.10.18
[4]陈鹏，大话5G-5G技术发展通俗解说，2015.12.1
论文作者:靳怀庆1,赵光耀2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/2/26
标签：技术论文; 频谱论文; 频段论文; 信道论文; 用户论文; 天线论文; 速率论文; 《基层建设》2017年第33期论文;