文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2015)02-0023-03
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
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
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
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。
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