面向5G的新型多载波传输技术比较
陈兆良
【摘要】 多载波传输技术将成为5G时代的核心任务，文章介绍了几种新型多载波传输技术，包括通用滤波多载波、滤波器组多载波和广义频分复用技术。通过在具体的移动通信模拟传输中的效果对比，分析三种多载波技术的适用范围。随着我国移动通信的快速发展，5G的實现将成为一种必然，分析5G时期的多载波传输技术要点，并根据实际需求正确选择多载波传输技术，将促进我国移动通信业的发展。
【关键词】 多载波传输技术 5G技术 滤波器组多载波 技术对比
我国计划于2020年实现5G通信，与4G时代相比，5G具有更高的通信效率，抗干扰能力更强，最重要的是，5G将实现全面的智能化，为用户提供更优质、更丰富的服务。移动通信技术在我国发展迅速，其核心技术也将不断的改革。在传统的移动通信中，无线蜂窝网技术是主要的传输方式。但随着虚拟技术的出现，一些新兴的传输技术将逐渐代替无线蜂窝网技术，如物联网技术、虚拟现实技术等。一些技术已经在其他行业开始应用，在移动通信行业的应用将体现在其技术更新上。世界各国也将实现5G通信列入国家发展纲要，多载波传输技术将成为5G时代核心传输技术之一，4G时代的CP-OFDM技术将在共存一段时间后被取代，随之而产生通用滤波多载波、滤波器组多载波和广义频分复用技术等技术。采用新型的多载波技术有效的促进了移动通信效率的提高，使其更加灵活，可以为用户提供更多的服务。文章对三种主要的多载波技术进行分析和总结。
一、4G时期的CP-OFDM缺陷
在4G通信网中，CP-OFDM能够提高系统的抗干扰能力，并且支撑4G的宽带频谱，具有积极作用。但是进入5G时代，通信效率将极大的提高，此时采用使用CP-OFDM系统已经不能适应5G时代需求，应采用智能化程度更高的多载波技术。为了便于多载波技术的设计与发展，笔者基于5G的发展特点，对CP-OFDM的缺陷做如下分析。
首先：灵活性问题。5G网络将实现端对端传输，并且要求传输延时低于1ms，但是4G时期的CP-OFDM基本不能达到这一要求，系统无法在短时间内提供施与符号，传输间隔也大于要求。CP-OFDM技术还无法满足5G时代的带宽需求。对于物联网而言，更是属于短包类突发式通信业务，对带宽配置有较高的需求，一般需要比较窄的子载波，才能使时域符号和TTI足够长，5G时期的物联网几乎无延迟，因此不再使用CP。这也使得CP-OFDM的灵活性存在明显的不足，需要采用新的技术，提高其灵活性，通过改变性能和参数来改变其灵活性问题，但是这一技术依然处于理论阶段，实现尚需要一定的技术支持。
其次：精确的同步。5G时代的OFDM技术采用正交的子载波间，可以实现精确同步。但是目前的4G技术并不能满足这一需求，但是对于物联网而言，采用太多的同步将使网络信令增多，最终造成网络阻塞，影响网络运行速度。因此，未来将增加异步传输技术，主要解决电力问题和信道阻塞问题。此外，在对零散频段的利用上，受到技术的影响，依然无法实现分散频段的使用。但是随着增大的移动通信需求，CP-OFDM的瓣功率泄露较，使载波之间的干扰增大，因此依然无法满足分散频段使用的需求，未来将研发一种能够将零散频率应用起来的通信技术，下文我们将几种满足5G时期的通信传输技术进行分析。
二、几种5G 新型多载波传输技术的应用
基于上文研究，我们知道4G时期的CP-OFDM技术无法满足5G发展的需求，目前5G实现上存在一定的困难，但是我们坚信5G的实现具有可行性。目前，相关专家研究的集中于新型的多载波传输技术对于5G的实现具有积极意义。其中，我国已经研究并且预计可以使用的技术为通用滤波多载波、滤波器组多载波和广义频分复用。当然，这些技术是否能够实现，如何实现都值得研讨。下文我们就将三种新型的多载波技术进行分析，对比其与传统技术的差别，并且对技术缺陷进行改进，旨在早日推行5G通信模式，满足快速发展的移动通信需求。
2.1通用滤波多载波
在4G通信网时代，FBMC滤波器的帧长无法满足短距离通信业务，而我们对于5G的分析中发现，短包技术将占据较大的一部分通信，因此对该技术的革新就成为一种必然。通用滤波多载波（UFMC）是对4G时代的FBMC技术的一种革新，是将若干个连续的子载波进行滤波操作，UFMC实际上就是考虑了多种FBMC 传输情况，当每组中子载波数为1时，传输方式为FBMC传输，基于此我们将其称之为通用滤波的OFDM，该技术很好的解决了传统FBMC系统的帧长问题。UFMC不再使用循环前缀，因此自带的宽度直接决定了滤波器的长度。这样可以根据需求来设置宽带的长度，可以满足不同用网需求，使移动通信网络配置更加灵活。总之，UFMC是对FBMC的更新，它不仅具有FBMC系统所有的优点，还可以在这一基础上支持更多的通信业务，最重要的是解决了FBMC无法支持短包类业务的弊端。
2.2滤波器组多载波
器组多载波（FBMC）系统由发送端的综合滤波器组和接收端的分析滤波器共同构成。信号从分析滤波器来，并将其分成若干个字带信号。由综合滤波器组完成自带信号的重组和输出过程，也就是说，FBMC的两个系统属于互为逆向结构关系。二者共同组成了原型滤波器，并通过频移建立函数获得其他的滤波器。接收端输入数据是将从发射端传输的数据进行转化和系列抗干扰处理后进入多相滤波器组，并通过相应的逆变换恢复原始数据。在4G环境中，主要采用正交频率的传输软件，但是新型滤波器可以自动调节带宽，也就是根据需求设置带宽，因此不再需要以正交的方式存在，其优势是灵活性更高，但是不同的子载波之间的互相干扰增大，因此需要使用OQAM数据处理方式，这种方式通过相同的FFT码率来降低相邻子载波之间的干扰。FBMC滤波器将是未来一段时间内技术人员攻克的要点，但是目前仅集中于频谱感知或认知无线电上，实现这一技术能够将零散的频段合理的利用，最终提高通信网的运行效率，降低宽带外泄露现象的发生概率，通过非正交的运行方式也使得小频率可以使用。
2.3广义频分复用技术
广义频分复用（GFDM）技术也是一种新的多载波传输技术，具有信号接收方式简单、带外功率泄露小、无需正交传输等优势，并且该技术对干扰的控制更加理想。将若干个时隙和子载波上的符号作为一帧，通过一组滤波器的设计加上Tailbiting功能来完成发送端的滤波转化为循环卷积，节省了发送滤波器拖尾消耗的CP长度。与传统的技术不同，GFDM是将每个子载波上都加上CP，接收端则利用一阶频域均衡，在Double-SIC技术的支持下，降低了干扰，彻底的消除了ICI。发送过程中的Tailbiting不仅降低了CP开销，还可以通过FFT功能来使计算复杂度降低，使信号传输更加顺畅。其中所谓N倍内插，就是指在系统的频域范围内，将M点FFT的结果复制N次。GFDM滤波器的设计与FBMC具有相同之处，一般是依照原型低通滤波器而设计，因此在功能和特点上也具有一定的共同点。CP的作用在于使多径信道等同于循环卷积信道，因此接收机部分可使用频域单点均衡，这一点则与传统的OFDM技术相似。
UFMC技术是对传统技术和FBMC技术的更新，该技术的优势更加明显，但是由于不使用CP，因此对于短时间的不重合性更加敏感，对零散的频谱的利用率不高。如果当地基站较多，用网需求较大时，采用该技术无法实现将零散频率的收集，也就无法提高频率的拓宽。因此不應用这一场合，一般是将该技术和FBMC技术结合使用。随着对我国移动通信发展的研究，技术人员通过研究提出了广义频分复用（GFDM）技术。在其原理设计中，我们对其进行分析，进一步确定了其优势，其中，GFDM根据不同类型的业务与应用对空口的要求，实现脉冲成型滤波器的随意选择，这样可以将不同类型的CP，发挥CP在系统中的重要作用，该算法也较简单，由于其具体信号频域稀疏性特征，因此采用的计算方式和接收方式均较为简单。此外GFDM设置独立的块调制，通过配置不同的子载波与子符号，提高了其灵活性，提供多样化的业务。GFDM的子载波利用有效的原型滤波器滤波，在频率和时间域被循环移位，从而减少了带外泄漏，是目前技术下可以开发的的最先进的多载波技术，也将成为5G核心技术，与MIMO多天线等基本技术一起发挥积极的作用，提高移动通信效率。
三、总结
多载波传输技术是未来5G的核心技术，本文重点介绍了三种通用滤波多载波、滤波器组多载波和广义频分复用技术。三种新型技术各具优势，其中广义频分复用技术对零散的频谱的利用率不高，但是抗干扰能力更强，并且更好的减少了带外泄露。未来技术人员将进一步研究移动通信多载波技术，将先进的技术应用于5G中，得到5G预计的传输速度和网络运行速度，并且将干扰降到最低，促进移动业的发展。
参 考 文 献
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