《電子技術(shù)應(yīng)用》
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第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究分析
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
楊豐瑞1,,董志明2
1.重慶重郵信科(集團(tuán))股份有限公司,,重慶400065; 2.重慶郵電大學(xué) 通信新技術(shù)及應(yīng)用研究中心,,重慶400065
摘要: 較詳盡地?cái)⑹隽说谖宕苿?dòng)通信(5G)應(yīng)具有的基本特點(diǎn),,分析了對(duì)其需求以及發(fā)展線路,對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行研究,,并根據(jù)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展規(guī)律研究了其可能用到的關(guān)鍵技術(shù),;最后提出提高5G無線網(wǎng)絡(luò)容量的研究方向以及采用到的關(guān)鍵技術(shù)
中圖分類號(hào): TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2015)02-0023-03
Research and analysis of the fifth generation mobile communication system
Yang Fengrui1,Dong Zhiming2
1.Chongqing CYIT(group) Co.,,LTD,,Chongqing 400065,China,; 2.Center of New Communication Technology and Research Application, University of Posts and Communications of Chongqing,, Chongqing 400065,China
Abstract: This paper gives a detailed description of the basic characteristics of the fifth generation mobile communication(5G), analyzes the demand and development of 5G network architecture, and studies the possible key technologies in 5G according to the law of mobile communication technology development. Finally,it puts forward the research direction of 5G wireless’s network capacity and the key technologies.
Key words : 5G characteristics,;core technology,;network traffic;heterogeneous cooperative

  

0 引言

  從第一代移動(dòng)通信(1G)到目前的第四代移動(dòng)通信技術(shù)(4G),,通信技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的改進(jìn)。1G主要是語音通信,,2G在語音通信的基礎(chǔ)上有了一定量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),,3G業(yè)務(wù)使無線通信和因特網(wǎng)聯(lián)系在一起,,4G通信的數(shù)據(jù)量更大。但是,,現(xiàn)在通信技術(shù)無法滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量,,因此5G技術(shù)的發(fā)展將是不可避免的。本文將介紹5G的基本特點(diǎn),、發(fā)展線路,、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及提高5G網(wǎng)絡(luò)容量的方法,對(duì)5G的研究具有重要意義,。

1 5G特點(diǎn)

  5G網(wǎng)絡(luò)包括五大應(yīng)用場(chǎng)景:隨時(shí)隨地最佳體驗(yàn),;支持大規(guī)模人群;超高速場(chǎng)景,;超可靠的實(shí)時(shí)連接,;無處不在的物物通信。5G有以下特點(diǎn):

  (1)相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò),,5G網(wǎng)絡(luò)峰值速率需要提升10倍,,達(dá)到10 Gb/s以上。

  (2)相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò),,時(shí)延超低和可靠性高,,業(yè)務(wù)時(shí)延小于5 ms,可實(shí)現(xiàn)450 km/h高速環(huán)境下通信,。

  (3)相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò),,5G網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率高,而且平均頻譜效率需要提升5~10倍,,將利用演進(jìn)及頻率倍增或壓縮等創(chuàng)新技術(shù)提升頻率利用率[1],。

  (4)一般用戶可獲得10 Mb/s速率,特殊用戶達(dá)到100 Mb/s,。

  (5)聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)設(shè)備數(shù)量增加到現(xiàn)在的100倍,,網(wǎng)絡(luò)容量提升1 000倍。

  (6)更加綠色節(jié)能的5G系統(tǒng),,通信能源消耗將是目前網(wǎng)絡(luò)的十分之一,。

2 5G發(fā)展線路


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  圖1簡(jiǎn)略描述了5G技術(shù)的主要發(fā)展線路,從移動(dòng)通信發(fā)展現(xiàn)狀以及技術(shù),、標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)的演進(jìn)趨勢(shì)來看,,演進(jìn)、融合和創(chuàng)新是面向未來5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的3大路線,。

  (1)主要演進(jìn)路線

  首先,,以LTE/LTE-Advanced為代表的蜂窩演進(jìn)路線。LTE/LTE-Advanced已經(jīng)是事實(shí)上的全球統(tǒng)一的4G標(biāo)準(zhǔn),并將會(huì)在5G階段繼續(xù)演進(jìn),。從頻分/時(shí)分和寬帶碼分多址變化為正交頻分多址接入,,演進(jìn)到5G時(shí),可能采用非正交多址接入技術(shù),。這個(gè)演進(jìn)方向主要提高了資源的利用效率[2],。

  其次,以WLAN等無線技術(shù)為方向的演進(jìn),。WLAN是當(dāng)今全球應(yīng)用最為普及的寬帶無線接入技術(shù)之一,,下一代WLAN標(biāo)準(zhǔn)“High-efficiency WLAN”的研究,將進(jìn)一步提升運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)能力,,推動(dòng)WLAN技術(shù)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合,。

  最后,以小蜂窩技術(shù)為方向的演進(jìn),。蜂窩覆蓋范圍逐漸減小,,蜂窩覆蓋范圍的縮小已經(jīng)是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì),特別是在高度商業(yè)化地區(qū),。然而小蜂窩的隨機(jī)部署特性,,不可避免地會(huì)出現(xiàn)小蜂窩的密集分布甚至超密集分布,以提高接入傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)容量,。

  (2)融合的三個(gè)方面

  首先,,多領(lǐng)域跨界融合。5G網(wǎng)絡(luò)需要能夠融合多領(lǐng)域的技術(shù)[3],,滿足各種設(shè)備多樣化的無線連接性要求,。

  其次,多系統(tǒng)融合,。主要包括地面移動(dòng)通信與衛(wèi)星移動(dòng)通信,、數(shù)字廣播通信與蜂窩通信、移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)與寬帶接入系統(tǒng),、短距離傳輸系統(tǒng)等系統(tǒng)間的融合,。

  此外,多RAT/多層次/多連接融合,,蜂窩系統(tǒng)內(nèi)的多種接入技術(shù)(2G/3G/4G/5G)以及多層覆蓋(Macro/Micro/Pico/Femto),、多鏈路(Relay、D2D,、UE-Relay)之間緊密耦合,,協(xié)調(diào)合作,共同為用戶服務(wù),。

 ?。?)5G的發(fā)展需要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)作為支撐。包括:①頻率運(yùn)用的新技術(shù),包含矯捷的操縱頻譜和高頻段,;②新的空中接口技術(shù),,比如全雙工技術(shù)、非正交非同步多址技術(shù)以及角動(dòng)量調(diào)制等技術(shù),;③新型5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]。

3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)


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  如圖2所示是一種5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),,該架構(gòu)可分為三大模塊:網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。

 ?。?)分析場(chǎng)景時(shí),,可以分為室內(nèi)和室外兩個(gè)場(chǎng)景。為了提高室外覆蓋率,,小區(qū)基站采用大規(guī)模MIMO和分布式天線,,為了彌補(bǔ)宏蜂窩的不足部署虛擬蜂窩;為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)高速率傳輸,,室內(nèi)終端直接與室外的大規(guī)模天線陣列進(jìn)行通信,,充分利用適用于短距離通信的技術(shù)。

 ?。?)接入網(wǎng)設(shè)計(jì)主要包括三點(diǎn):首先,,融合異構(gòu)多接入技術(shù):包括5G,UTMS,,LTE,,WiFi等的融合;其次,,資源進(jìn)行集中分配,,基站資源虛擬化,以及頻譜資源的動(dòng)態(tài)利用,。另外,,傳輸路徑的優(yōu)化[5],使數(shù)據(jù)平面設(shè)計(jì)扁平化,。

 ?。?)核心網(wǎng)設(shè)計(jì)主要包括兩點(diǎn):首先,實(shí)現(xiàn)分離,,包括控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離和物理硬件與邏輯分離兩個(gè)方面的分離,;其次,增強(qiáng)對(duì)業(yè)務(wù)的感知能力,,并滿足數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)傳輸,。

4 5G關(guān)鍵技術(shù)的概述

  4.1 高頻段傳輸技術(shù)

  目前,移動(dòng)通信系統(tǒng)主要工作在低頻段,而在高頻段,,3 GHz以上利用較少,,未來無線通信需要利用高頻段傳輸技術(shù)來提高系統(tǒng)容量。

  4.2 MIMO技術(shù)

  MIMO信道容量具備隨收發(fā)天線數(shù)中的最小值呈類似線性增加特征[6],。通過添加多個(gè)天線,,可以為無線信道帶來更大的自由度,以容納更多的信息數(shù)據(jù),。MIMO可以大幅增加系統(tǒng)的吞吐量及傳送距離,,運(yùn)用大規(guī)模多天線技術(shù)MIMO已成為提高系統(tǒng)頻譜利用率和傳輸可靠性的有效手段,為大幅度提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量提供了一個(gè)有效的途徑,。

  4.3 同時(shí)同頻全雙工

  現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)中,,由于技術(shù)條件的限制, 不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)、同頻以及雙向通信的全雙工通信, 雙向鏈路都是通過時(shí)間或頻率進(jìn)行區(qū)分的, 對(duì)應(yīng)于TDD和FDD方式,。由于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不能進(jìn)行同時(shí),、同頻雙向通信,浪費(fèi)了一半的無線資源,,全雙工技術(shù)理論上可提高頻譜利用率一倍,。

  4.4 D2D通信技術(shù)


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  如圖3所示的D2D通信,D2D能夠?qū)崿F(xiàn)短距離設(shè)備間直接通信,,具有信道質(zhì)量高,、低時(shí)延、較高數(shù)據(jù)速率和較低功耗等優(yōu)點(diǎn),;利用廣泛分布的終端設(shè)備,,能夠改善覆蓋和提高頻譜資源利用;未來5G網(wǎng)絡(luò)中,,D2D 直接通信技術(shù)能夠在沒有基站的中轉(zhuǎn)下,,實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備之間的直接通信,拓展了網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式[7],。

  4.5 超密集網(wǎng)絡(luò)部署

  5G應(yīng)該是一個(gè)多元化,、寬帶化、智能化的網(wǎng)絡(luò),,將部署更多的密集網(wǎng)絡(luò)來滿足室內(nèi)和室外場(chǎng)景的數(shù)據(jù)需求,。密集網(wǎng)絡(luò)提升的信噪比增益比大規(guī)模天線帶來的信噪比增益更大,提升了終端用戶的體驗(yàn)效果,,并且大幅度提高系統(tǒng)容量,,具有更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的頻譜效率的特征[8]。

  4.6 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)

  5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將具有低時(shí)延,、低成本,、扁平化,、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。新型無線接入網(wǎng)架構(gòu)具有基于協(xié)作式無線電技術(shù),、集中化處理技術(shù),、實(shí)時(shí)云計(jì)算構(gòu)架技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。其本質(zhì)是通過充分利用低成本高速光傳輸網(wǎng)絡(luò),,直接在遠(yuǎn)端天線和集中化的中心節(jié)點(diǎn)間傳送無線信號(hào),,以構(gòu)建覆蓋上百個(gè)基站服務(wù)區(qū)域,甚至上百平方公里的無線接入系統(tǒng),。

  4.7 網(wǎng)絡(luò)智能化技術(shù)

  未來,,網(wǎng)絡(luò)智能化技術(shù)將是5G網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要技術(shù),應(yīng)具有智能配置,、智能識(shí)別、自動(dòng)模式切換等優(yōu)點(diǎn),,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能自組織的功能,。自組織網(wǎng)絡(luò)主要是讓網(wǎng)絡(luò)中具有自組織能力,即自配置,、自優(yōu)化,、自愈合等,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能地進(jìn)行規(guī)劃,、部署,、維護(hù)、優(yōu)化和排障等優(yōu)點(diǎn),。

  4.8 多載波技術(shù)

  在5G系統(tǒng)中,,為了達(dá)到高數(shù)據(jù)速率,將可能需求高達(dá)1 GHz的帶寬,。但在低頻段難以獲得連續(xù)的寬帶頻譜資源,。在這些頻段中,有的無線傳輸系統(tǒng),,比如電視網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在白頻譜資源,。這些白頻譜的位置可能是不連續(xù)的[9],希望在5G中能夠采用新型的多載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)這些頻譜的使用,。

  4.9 軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)

  在傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,,控制和轉(zhuǎn)發(fā)是集成在一起的,網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)節(jié)點(diǎn)(如路由器,、交換機(jī))是封閉的,,其轉(zhuǎn)發(fā)控制必須在本地完成,使得它們的控制功能非常復(fù)雜,,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新復(fù)雜度高,。軟件定義網(wǎng)絡(luò)的基本思路將路由器中的路由決策等控制功能從設(shè)備中分離出來,,統(tǒng)一由中心控制器通過軟件來進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)和控制的分離,,從而使得控制更為靈活,,設(shè)備更為簡(jiǎn)單。

5 改善5G系統(tǒng)容量的研究

 ?。?)采用“異構(gòu)協(xié)同”方法提高網(wǎng)絡(luò)容量,,“異構(gòu)協(xié)同”指建立高效、開放,、可擴(kuò)展,、可信、智能的無線網(wǎng)絡(luò)體,,新型無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),、新頻段通信技術(shù)以及高效無線通信技術(shù)相互協(xié)同作用,共同提高網(wǎng)絡(luò)容量[10],。

 ?。?)利用更多頻譜。開發(fā)利用高頻段資源,,使其更加適合小小區(qū),;另外,開發(fā)利用“白頻譜”和可見光通信等技術(shù)資源,。

 ?。?)提升頻譜利用效率。首先,,高效地使用頻譜(例如運(yùn)用智能天線技術(shù))可以提高頻譜效率,;其次采用動(dòng)態(tài)頻譜分配策略,打破傳統(tǒng)靜態(tài)頻譜分配方法的局限,,結(jié)合時(shí)-頻-空多維頻譜的動(dòng)態(tài)分配,,促進(jìn)頻譜資源利用能夠智能化,達(dá)到提高頻譜利用效率的目的,;最后,,采用新型無線接入的多址技術(shù),嘗試非正交多址接入技術(shù)[11],。

 ?。?)新型無線傳輸技術(shù)。首先,,采用大規(guī)模MIMO和3D MIMO進(jìn)行高效傳輸,;另外,采用基于電磁波角動(dòng)量特性的新型無線傳輸技術(shù),,例如電磁渦旋無線傳輸技術(shù),。

 ?。?)更多基站(更小小區(qū))。小區(qū)的部署更加密集,,單個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍大大縮小[12],。

  (6)同時(shí),、同頻的雙向通信的全雙工技術(shù),。

6 結(jié)束語

  本文詳細(xì)研究了5G通信發(fā)展愿景和特征,并詳細(xì)研究了對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的需求分析,,研究了5G通信的發(fā)展線路,,闡述了5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)的主要部分,對(duì)5G移動(dòng)通信若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,,最后,,提出了提高5G無線網(wǎng)絡(luò)容量的研究方向以及采用到的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)提高無線網(wǎng)絡(luò)容量具有重要實(shí)際意義,。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,,5G關(guān)鍵核心技術(shù)將逐步得以確定,加快了5G標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程,。

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