矩形脉冲信号的频域分析

      5G正以前所未有的关注度受到世人的瞩目。前面几代无线通信系统，几乎是通信人在自嗨。但是5G不一样。全民皆5G。言必称5G。

      那么5G和前几代无线通信比较，是如何实现广连接、宽带宽、低时延的呢？就从5G通信的最底层开始给大家慢慢分析，从无线通信的信号处理角度分析。

       在4G通信的信号处理基础上，5G采用了哪些新的信号处理技术？

2G时代，采用的TDMA，3G时代采用CDMA，4G时代使用的OFDMA。那么5G呢？系统性能提升的不能单靠优越的底层信号处理技术了，而是使用一些全新的信号处理技术提升兼容性、可靠性和聚合性。

计划从下面4个方面来讲解：

(1)5G使用的新的调制和编码方案；

(2)5G采用的新的空间处理技术；

(3)5G采用的毫米波的理论和实践；

(4)5G采用的新的系统级的技术介绍，重点介绍超密集网络。

      从2G发展到4G时代，通信速率从几十Kbps到几十Mbps,采用的调制方案从高斯最小移频键控(GMSK)到自适应选择基数的正交幅度调制(QAM)。

      5G系统和4G不一样的地方，需要适应多种应用场景，所以单单做数据吞吐量的提升，还不能满足。比如下面这些场景：

(1)超高速率无线连接。比如超高清视频的下载和上传。这类似的应用需要大频谱和能量效率的调制方案；

(2)IOT应用。万亿级的物联，重点关注的是同步和低速通信的调制方案；

(3)人机协同互联网。比如自动驾驶、人跟机器协同工作的场所，关注的是低时延，要求低于1ms的时延，甚至200us以下的时延。

(4)无线区域网(WRAN)。有线宽带和光纤宽带不能到达和覆盖的地方，对移动性没有要求。那也就是说对多普勒频移效应没有要求的场所，这样就相当于5G是异构网络，所以调制方案应该就是能利用频谱的碎片和异构的频谱。

      LTE时代使用的调制技术和多址接入策略是OFDM和OFDMA。该技术方案采用FFT和IFFT，在物理上发射和接手机易于实现，成本低廉，抗多径失真能力强，同时利用了子载波的正交性消除了小区间干扰，物理上与多射频天线易于耦合集成。但是在时域上OFDM调制采用矩形脉冲，转换为频域时，产生缓慢的衰减行为。在分段频谱场景下不适合。需要满足带外级(OOB)的严格约束。所以5G时代，必须要寻找替代的调制方案。

      我们知道上行链路中，在不同的终端单独发射时，和下行链路中，使用基站协调时，要求高度可靠的同步，同时还需要考虑峰平比等等。

下面简单介绍LTE下的解决方案：OFDM和SC-FDMA。

图  OFDM调制方案，LTE上行链路中的SC-FDMA方案

5G下的新的信号处理技术下一节介绍。