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5G技术可实现性分析.doc
5G技术可实现性分析
本文选取了5G中的几个热点技术,从可实现性角度,对各种技术进行比较,认为大多数技术都用解析方法替代了统计方法,通过成倍复杂性提升,换取一定的性能提升。对于Massive MIMO,天线数并非越多越好,TDD模式的Massive MIMO具有技术上的优势,但在实现上需要考虑对称性校正。MUSA(多用户共享接入)、FB-OFDM技术较好地兼顾了性能和复杂度。
解析VS统计
用解析方法替代统计方法,用巨大的复杂性换取微小的性能提升,将成5G常态。
解决问题的方法分为两大类:统计方法和解析方法。统计方法是用大量历史数据(大数据)和一系列粗放的规律性来预测未来的事件。而解析方法则是在准确地测量相关输入条件的基础上,通过精确的规律(解析式),计算出未来的事件。
“统计方法”和“解析方法”都是对事物进行数学建模。“统计方法”是在较少输入情况下的简单近似建模,是一种次优解。而“解析方法”则是在大量输入情况下的最优解。“统计方法”和“解析方法”都有理论极限,但解析方法理论极限更高,性能更好。这是其原理所决定的。
对于通信容量,单信道容量已接近香农极限,而在同样的频段、同样的时间段、同样的无线传播空间下,如果能够构建出多个独立的、互不干扰的等效信道(即空分复用SDMA),容量可大幅度上升。
“统计方法”从原理上无法实现上述空分复用,而“解析方法”则可实现空分复用。把信号用复数描述,具有幅度和相位,利用瞬时相位的正交性,可构建出独立的逻辑空间。
“解析方法”需要首先解决“信号随机不可测”的问题,首先,“随机”并非绝对的,而是相对的,某个事件相对于方法A是“不可测量的随机事件”,但同一事件相对于方法B完全可能变为“确知可测的解析事件”。
例如,以往认为瑞利衰落是“随机不可测”的“异动敏感事件”。但是,如果采用相干方法(多天线联合均衡本质上是一种空域相干方法),那么瑞利衰落就变成可精确测量的解析事件了。因此简单地统计上规避瑞利衰落,演变为人为制造瑞利衰落,形成零陷,成倍提升容量。
对于当前的无线通信系统(仍工作于经典波动理论下),大部分事件都是可以“解析化”的,但需要付出复杂的实现代价。5G就是在复杂度和性能间寻求平衡,在合适的时间把合适的事件解析化,从而在合适的代价下实现性能最大化。
随着通信潜力的一步一步被挖尽,理论极限一步一步被逼近,需要付出更多复杂性的代价,更多地采用解析方法,以达到性能最优的目的。
5G空分复用、抗干扰,就是用复杂的解析计算去提升容量。而5G Massive IoT中的非正交通信技术,也是用复杂的计算换取远近效应的改善和接入数量的提升。而FBMC则是以人为引入符号间干扰,再消除干扰的方法来降低频域的泄露。上述计算非常复杂,复杂度提升超过线性,甚至达到平方、立方的关系。
“用巨大的、不成比例的解析计算,换取哪怕一小点容量提升”,将成为5G技术推进过程中的常态。
Massive MIMO的容量并非线性增长
采用多天线技术可以实现空分复用(Massive MIMO),虽然理论上看,单站最大容量和天线数成正比,比如64天线应该有64倍容量,但很多因素使实际组网容量远低于线性,例如,噪声的存在、空间信道非理想、测量的误差等,都会使实际容量偏离理论值,尤其是天线过多时,非理想因素会淹没天线增加的收益。所以,Massive MIMO天线数并非越多越好,而是结合实现代价,有一个最佳性价比区间。
TDD具有上下行对称性,因此,Massive MIMO可在TDD中首先获得应用,甚至做到标准透明化(手机无感),且具有性能优势。
然而,TDD多天线也存在一些问题,为了利用对称性,它对校正的精度要求非常高,例如2.6G载波,10度左右的相位差对应大约1/300ns的精度。任何器件都无法直接满足这一要求(例如GPS只能达到几个ns)。因此必须采用两级校准机制。未来随着设备向5G演进,存在两个方面的挑战,一是天线越多精度要求越高,二是频段越高,绝对精度要求越高。
TDD多天线需要解决的另一个问题是终端发射通道数量的问题,由于终端对成本功耗敏感,因此,终端往往采用多天线接收,少天线发射,甚至单天线发射。这在一定程度上破坏了对称性。当前,用轮发或减少单用户流数来规避。
非正交通信技术需要控制接收机复杂性
MUSA(Multi User Shared Access)是中兴通讯提出的一项5G非正交技术。传统的通信技术(例如4G),都是采用“正交”的方法区分用户,两个用户不能共享同一自由度。而MUSA则为每个用户分配一个码序列,然后把这些用户分配到同一个自由度上(时间、子载波或空间)。需要借助于连续干扰取消(SIC)接
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