5G关键技术

xingjinzhu

大规模MIMO技术是指基站端采用大规模天线阵列，天线数超过十根甚至上百根，并且在同一时频资源内服务多个用户的多天线技术。大规模MIMO技术将传统的时域、频域、码域三维扩展为了时域、频域、码域、空域四维，新增维度极大的提高了数据传输速率。大规模MIMO天线技术提供了更强的定向能力和赋形能力如图2，大规模MIMO的空间分辨率与现有MIMO相比显著增强，能深度挖掘空间维度资源，使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。大规模MIMO可将波束集中在很窄的范围内，从而大幅度降低干扰，大幅降低发射功率，从而提高功率效率，减少用户间干扰，显著提高频谱效率。

图2  大规模MIMO天线技术方向图

当基站侧天线数远大于用户天线数时，各个用户的信道将趋于正交，小区内同道干扰及加性噪声趋于消失，系统性能仅受限于邻区导频的复用，这使得系统的很多性能都只与大尺度相关，与小尺度无关。大规模MIMO的无线传输技术将有可能使频谱效率和功率效率在4G的基础上再提升一个量级。

大规模MIMO技术目前还面临较多问题挑战。在TDD大规模MIMO多小区中的各用户向基站发送相互正交的导频信号，基站利用接收到的导频信号，获得上行链路信道参数的估计值，再利用TDD系统上下行信道的互易性，获得下行链路信道参数的估计值，由此实施上行检测和下行预编码传输。随着用户数目的增加，用于信道参数估计的导频开销随之线性增加，特别是在中高速移动通信场景，导频开销将会消耗掉大部分的时频资源，导频污染是大规模MIMO的瓶颈问题。因此，为了充分挖掘大规模MIMO 的潜在技术优势，需要深入研究符合实际应用场景的信道模型，分析其对信道容量的影响，并在实际信道模型、适度的导频开销、可接受的实现复杂度下，分析其可达的频谱效率、功率效率，并研究最优的无线传输方法、信道信息获取方法、多用户共享空间无线资源的联合资源调配方法。

此项技术尚存在诸多的挑战，随着研究的深入，大规模MIMO在5G中的应用被寄予了厚望，可以预计，大规模MIMO 技术将成为5G区别于现有系统的核心技术之一。

非正交多址技术（NOMA）

移动通信技术发展到今天，频谱资源也变得越来越紧张，5G定位于频谱效率更高、速率更快、容量更大的无线网络。NOMA可以很好地提高系统吞吐量和频谱效率，而且还可以成倍地提升系统设备接入量，在一些5G场景，比如上行密集场景和广覆盖多节点接入的场景中，采用NOMA多址技术会有明显性能优势。

NOMA基本思想是在发送端采用分配用户发射功率的非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过SIC（串行干扰消除）接收机消除干扰，实现正交解调。NOMA的子信道传输依然采用正交频分复用（OFDM）技术，子信道之间是正交的，互不干扰，但是一个子信道上不再只分配给一个用户，而是多个用户共享。同一子信道上不同用户之间是非正交传输，这样就会产生用户间干扰问题，这也就是在接收端要采用SIC技术进行多用户检测的目的。在发送端，对同一子信道上的不同用户采用功率复用技术进行发送，不同的用户的信号功率按照相关的算法进行分配，这样到达接收端每个用户的信号功率都不一样。SIC接收机再根据不同户用信号功率大小按照一定的顺序进行干扰消除，实现正确解调，同时也达到了区分用户的目的。

SIC技术是非正交多址接入方式接收端必备的技术，是一种针对多用户接收机的低复杂度算法，该技术可以顺次地从多用户接收信号中恢复出用户数据。在常规匹配滤波器（MF，Matched Filter）中，每一级都提供一个用于再生接收到的来自用户信号的用户源估计，适当地选择延迟、幅度和相位，并使用相应的扩频序列对检测到的数据比特进行重新调制，从原始接收信号中减去重新调制的信号（即干扰消除），将得到的差值作为下一级输入，在这种多级结构中，这一过程重复进行，直到将所有用户全部解调出来，SIC接收机利用串联方法可以方便地消除同频同时用户间的干扰。

NOMA技术用到了4G的OFDM技术，NOMA与OFDM（4G）相比由于可以不依赖用户反馈的CSI信息，在采用AMC和功率复用技术后，应对各种多变的链路状态更加自如，即使在高速移动的环境下，依然可以提供很好地速率表现；同一子信道上可以由多个用户共享，跟OFDM（4G）相比，在保证传输速度的同时，可以提高频谱效率。

假设单基站、两用户场景，下行链路，基站采用叠加编码同时同频发送两个用户信号，但为不同信号分配不同的发射功率如式2-2：

                                                       （2-2）

式中P为发射功率，x为发送信号。

用户接受信号表示如式2-3：

                                                       （2-3）

用户1靠近基站，其接收信噪比高，执行SIC算法检测出用户2的信号并从接收信号中减去，而用户1远离基站，接收信噪比低，不执行SIC算法，将用户1的信号看成背景噪声，此时，信道容量为式2-4：

                                                       （2-4）

而在OFDMA中，可用带宽正交分配给两个用户，如果功率和带宽都等分配，其信道容量为：

                                                       （2-5）

采用OFDMA技术信道容量R1=3.33bps/Hz,R2=0.50bps/Hz;采用NOMA技术信道容量R1=4.39bps/Hz,R2=0.74bps/Hz;可见NOMA比OFDMA多址技术的频谱效率可提升30-40%。

虽然NOMA多址技术存在众多优点，但是也存在着众多问题挑战。

1、系统复杂度。NOMA接收端采用SIC接收机进行信号检测，由于发送端主动引入了干扰信息，要在接收端对用户信号进行正确解调，需要先消除干扰信号，因此系统的复杂度比较高。

2、信号检测处理时延。SIC接收机进行信号检测是分多级来进行的，每一级都会产生时延，当干扰用户数量较多时，总时延也将会很大。要尽可能减少时延，就需要提高硬件处理能力。

3、多用户调度和功率分配。NOMA 系统一个子频带资源将是由多个用户进行共享，同一波束内的多个用户要在功率域进行复用，要对每个用户分配不同的功率，也需要对功率分配算法来进行研究。

4、与其他技术的兼容问题。在5G网络中，大规模MIMO会带来更严重的波束间干扰，而AMC会给SIC信号检测带来干扰，因此，如何与其他技术进行完美结合依然有待于研究。

5G的标准尚未最终确定，虽然非正交多址技术（NOMA）尚存在一些问题和挑战，随着技术的不断提升和研究的逐渐深入，相信这些问题将会很快迎刃而解，既能满足移动业务速率需求又能提高频谱效率的非正交多址技术（NOMA）极有可能成为5G的多址技术。