《電子技術應用》
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第五代移動通信系統(tǒng)的研究分析
2015年電子技術應用第2期
楊豐瑞1,董志明2
1.重慶重郵信科(集團)股份有限公司,重慶400065; 2.重慶郵電大學 通信新技術及應用研究中心,重慶400065
摘要: 較詳盡地敘述了第五代移動通信(5G)應具有的基本特點,分析了對其需求以及發(fā)展線路,對5G網(wǎng)絡架構進行研究,并根據(jù)移動通信技術的發(fā)展規(guī)律研究了其可能用到的關鍵技術;最后提出提高5G無線網(wǎng)絡容量的研究方向以及采用到的關鍵技術
中圖分類號: TN929.5
文獻標識碼: A
文章編號: 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

  從第一代移動通信(1G)到目前的第四代移動通信技術(4G),通信技術發(fā)生了翻天覆地的改進。1G主要是語音通信,2G在語音通信的基礎上有了一定量的數(shù)據(jù)業(yè)務,3G業(yè)務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)在通信技術無法滿足日益增長的數(shù)據(jù)量,因此5G技術的發(fā)展將是不可避免的。本文將介紹5G的基本特點、發(fā)展線路、網(wǎng)絡架構以及提高5G網(wǎng)絡容量的方法,對5G的研究具有重要意義。

1 5G特點

  5G網(wǎng)絡包括五大應用場景:隨時隨地最佳體驗;支持大規(guī)模人群;超高速場景;超可靠的實時連接;無處不在的物物通信。5G有以下特點:

  (1)相對于4G網(wǎng)絡,5G網(wǎng)絡峰值速率需要提升10倍,達到10 Gb/s以上。

  (2)相對于4G網(wǎng)絡,時延超低和可靠性高,業(yè)務時延小于5 ms,可實現(xiàn)450 km/h高速環(huán)境下通信。

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

  (4)一般用戶可獲得10 Mb/s速率,特殊用戶達到100 Mb/s。

  (5)聯(lián)網(wǎng)移動設備數(shù)量增加到現(xiàn)在的100倍,網(wǎng)絡容量提升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)絡的十分之一。

2 5G發(fā)展線路


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  圖1簡略描述了5G技術的主要發(fā)展線路,從移動通信發(fā)展現(xiàn)狀以及技術、標準與產(chǎn)業(yè)的演進趨勢來看,演進、融合和創(chuàng)新是面向未來5G技術標準發(fā)展的3大路線。

  (1)主要演進路線

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

  其次,以WLAN等無線技術為方向的演進。WLAN是當今全球應用最為普及的寬帶無線接入技術之一,下一代WLAN標準“High-efficiency WLAN”的研究,將進一步提升運營商業(yè)務能力,推動WLAN技術與蜂窩網(wǎng)絡的融合。

  最后,以小蜂窩技術為方向的演進。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)絡發(fā)展的一個趨勢,特別是在高度商業(yè)化地區(qū)。然而小蜂窩的隨機部署特性,不可避免地會出現(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)絡容量。

  (2)融合的三個方面

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

  其次,多系統(tǒng)融合。主要包括地面移動通信與衛(wèi)星移動通信、數(shù)字廣播通信與蜂窩通信、移動蜂窩系統(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(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。

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

3 5G網(wǎng)絡架構


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  如圖2所示是一種5G網(wǎng)絡架構,該架構可分為三大模塊:網(wǎng)絡場景、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。

 ?。?)分析場景時,可以分為室內(nèi)和室外兩個場景。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,為了彌補宏蜂窩的不足部署虛擬蜂窩;為了實現(xiàn)室內(nèi)高速率傳輸,室內(nèi)終端直接與室外的大規(guī)模天線陣列進行通信,充分利用適用于短距離通信的技術。

  (2)接入網(wǎng)設計主要包括三點:首先,融合異構多接入技術:包括5G,UTMS,LTE,WiFi等的融合;其次,資源進行集中分配,基站資源虛擬化,以及頻譜資源的動態(tài)利用。另外,傳輸路徑的優(yōu)化[5],使數(shù)據(jù)平面設計扁平化。

  (3)核心網(wǎng)設計主要包括兩點:首先,實現(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方面的分離;其次,增強對業(yè)務的感知能力,并滿足數(shù)據(jù)的動態(tài)傳輸。

4 5G關鍵技術的概述

  4.1 高頻段傳輸技術

  目前,移動通信系統(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來提高系統(tǒng)容量。

  4.2 MIMO技術

  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,運用大規(guī)模多天線技術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)絡系統(tǒng)的容量提供了一個有效的途徑。

  4.3 同時同頻全雙工

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

  4.4 D2D通信技術


003.jpg

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

  4.5 超密集網(wǎng)絡部署

  5G應該是一個多元化、寬帶化、智能化的網(wǎng)絡,將部署更多的密集網(wǎng)絡來滿足室內(nèi)和室外場景的數(shù)據(jù)需求。密集網(wǎng)絡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效果,并且大幅度提高系統(tǒng)容量,具有更靈活的網(wǎng)絡部署和更高效的頻譜效率的特征[8]。

  4.6 新型網(wǎng)絡架構技術

  5G網(wǎng)絡架構將具有低時延、低成本、扁平化、易維護等優(yōu)點。新型無線接入網(wǎng)架構具有基于協(xié)作式無線電技術、集中化處理技術、實時云計算構架技術的優(yōu)點。其本質(zhì)是通過充分利用低成本高速光傳輸網(wǎng)絡,直接在遠端天線和集中化的中心節(jié)點間傳送無線信號,以構建覆蓋上百個基站服務區(qū)域,甚至上百平方公里的無線接入系統(tǒng)。

  4.7 網(wǎng)絡智能化技術

  未來,網(wǎng)絡智能化技術將是5G網(wǎng)絡的一個重要技術,應具有智能配置、智能識別、自動模式切換等優(yōu)點,實現(xiàn)網(wǎng)絡智能自組織的功能。自組織網(wǎng)絡主要是讓網(wǎng)絡中具有自組織能力,即自配置、自優(yōu)化、自愈合等,實現(xiàn)網(wǎng)絡智能地進行規(guī)劃、部署、維護、優(yōu)化和排障等優(yōu)點。

  4.8 多載波技術

  在5G系統(tǒng)中,為了達到高數(shù)據(jù)速率,將可能需求高達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實現(xiàn)對這些頻譜的使用。

  4.9 軟件定義無線網(wǎng)絡

  在傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡架構中,控制和轉(zhuǎn)發(fā)是集成在一起的,網(wǎng)絡互聯(lián)節(jié)點(如路由器、交換機)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雜,網(wǎng)絡技術創(chuàng)新復雜度高。軟件定義網(wǎng)絡的基本思路將路由器中的路由決策等控制功能從設備中分離出來,統(tǒng)一由中心控制器通過軟件來進行控制,實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)和控制的分離,從而使得控制更為靈活,設備更為簡單。

5 改善5G系統(tǒng)容量的研究

 ?。?)采用“異構協(xié)同”方法提高網(wǎng)絡容量,“異構協(xié)同”指建立高效、開放、可擴展、可信、智能的無線網(wǎng)絡體,新型無線通信網(wǎng)絡架構、新頻段通信技術以及高效無線通信技術相互協(xié)同作用,共同提高網(wǎng)絡容量[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資源。

 ?。?)提升頻譜利用效率。首先,高效地使用頻譜(例如運用智能天線技術)可以提高頻譜效率;其次采用動態(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-頻-空多維頻譜的動態(tài)分配,促進頻譜資源利用能夠智能化,達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,嘗試非正交多址接入技術[11]。

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

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

 ?。?)同時、同頻的雙向通信的全雙工技術。

6 結(jié)束語

  本文詳細研究了5G通信發(fā)展愿景和特征,并詳細研究了對5G網(wǎng)絡的需求分析,研究了5G通信的發(fā)展線路,闡述了5G網(wǎng)絡的架構的主要部分,對5G移動通信若干關鍵技術進行了研究,最后,提出了提高5G無線網(wǎng)絡容量的研究方向以及采用到的關鍵技術,對提高無線網(wǎng)絡容量具有重要實際意義。隨著技術的不斷發(fā)展,5G關鍵核心技術將逐步得以確定,加快了5G標準化進程。

  參考文獻

  [1] 董利,陳金鷹,劉世林,等.第五代移動通信初探[J].通信與信息技術,2013(5):53-55.

  [2] Singh Sapana,Singh Pratap.Key concepts and networkarchitecture for 5G mobile technology[J].International Jour-nal of Scientific Research Engineering&Technology,2012,(5):165-170.

  [3] 翟冠楠,李昭勇.5G無線通信技術概念及相關應用[J].電信網(wǎng)技術,2013(9):1-6.

  [4] WANG C X,HAIDER F,GAO X Q,et al.Cellular archi-tecture and key technologies for 5G wireless communication networks[J].IEEE Commun.Mag,2014,52(2):122-130.

  [5] NGO H Q,LARSSON E G,MARZETTA T L.Energy and spectral efficiency of very large multiuser MIMO systems[J].IEEE Trans.Commun.,2013,61(4):1436-1449.

  [6] MOHAMMED S K,LARSSON E G.Per-antenna constant envelope precoding for large multi-user MIMO systems[J].IEEE Trans.Commun.,2013,61(3):1059-1071.

  [7] OSSEIRAN A,BRAUN V,HIDEKAZU T,et al.The founda-tion of the mobile and wireless communications system for 2020 and beyond:Challenges, enablers and technology solu-tions[C].Proceedings of IEEE Vehicular Technology Confer-ence(VTC Spring),2013:1-5.

  [8] Nokia Siemens Networks.2020:Beyond 4G Radio Evolution for the Gigabit Experience. Nokia Siemens Networks Beyond4G White Paper[Z].

  [9] LIU S,WU J J,CHUNG H K,et al.A 25 Gb/s(/km2) urban wireless network beyond IMT-advanced[J].IEEE Commun Mag,2011,49(2):122-129.

  [10] AIJAZ A,AGHVAMI H,AMANI M.A survey on mobile data offloading:Technical and business perspectives[J].IEEE Wirel.Commun.,2013,20(2):104-112.

  [11] HOYDIS J,BRINK S,Debbah M.Massive MIMO in the UL/DL of cellular networks: How many antennas do we need[J].IEEE J.Sel.Area Commun.,2013,31(2):160-171.

  [12] LARSSON E G,TUFVESSON F,EDFORS O,et al.Mas-sive MIMO for next generation wireless systems[J].IEEE Commun.Mag,2014,52(2):186-19


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