5G移動通信及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展研究

石炯

（安徽郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信工程系，安徽合肥230031）

5G移動通信及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展研究

石炯

（安徽郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信工程系，安徽合肥230031）

2014年是國內(nèi)4G真正意義上實現(xiàn)商用的元年，后4G時代的通信技術(shù)被命名為5G.相對于4G，5G在傳輸速率、用戶峰值速率、傳輸時延、連接設(shè)備密度、流量密度、移動性等方面均有較大提高.目前被關(guān)注的5G關(guān)鍵技術(shù)主要包括了超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署、大規(guī)模MIMO技術(shù)、毫米波的使用以及新的無線接入技術(shù)等.5G移動通信系統(tǒng)的定義目前仍然不明確，但是5G必然成為未來移動通信領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù).

5G發(fā)展現(xiàn)狀；5G關(guān)鍵技術(shù)

15 G技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的日益發(fā)展及3G與4G技術(shù)的推廣與應(yīng)用，后4G時代的通信技術(shù)被命名為5G.5G通信技術(shù)的研發(fā)，勢必給通信行業(yè)帶來新一代的革新.ITU已于2013年開始5G需求、頻譜及技術(shù)趨勢的研究工作，計劃2016年完成技術(shù)評估方法研究，2018年完成IMT-2020標準征集，2020年最終確定5G標準.中國863計劃也已于2014年啟動了5G技術(shù)研究項目.重大專項5G相關(guān)研發(fā)課題將與863任務(wù)相銜接，支持863項目的研究成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用到IMT-2020國際標準化進程中.

目前，5G通信技術(shù)還沒有統(tǒng)一的制式標準.學(xué)術(shù)界預(yù)計一些合作項目，如METIS（mobile and wireless communications enablers for the 2020 information society）將驅(qū)動5G初步的標準化活動.我們將5G移動網(wǎng)絡(luò)定義為以“用戶為中心”的概念，取代以往3G中“運營商為中心”的概念，或4G中“服務(wù)為中心”的概念.用戶的需求定義了5G移動通信系統(tǒng)將支持[1]：

1）更嚴格的時延和可靠性的要求，將需要支持的醫(yī)療保健、安全、物流、汽車應(yīng)用，以及關(guān)鍵任務(wù)控制；

2）更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，必須支持用戶峰值速率可達10 Gb/s，而且需要具有很高的可用性和可靠性；

3）網(wǎng)絡(luò)的可擴展性和靈活性，必須具有非常低的復(fù)雜性；

4）多樣性及超長待機時間的終端設(shè)備；

5）更高的移動性能，實現(xiàn)高速移動環(huán)境下的良好用戶體驗.

25 G關(guān)鍵技術(shù)

2.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署

2.1.1 超密集網(wǎng)絡(luò)(ultra dense network，UDN)

提高網(wǎng)絡(luò)容量明確的但非常有效的方法是使小區(qū)更小.根據(jù)統(tǒng)計，在1950年至2000年的50年間，相對于語音編碼技術(shù)、MAC和調(diào)制技術(shù)的改進帶來的不到10倍的頻譜效率的提升，和采用更寬的帶寬帶來的傳輸速率的幾十倍的提升，由于小區(qū)半徑的縮小從而頻譜資源的空間復(fù)用帶來的頻譜效率提升的增益達到2 700倍以上[2].

研究表示，如果定義基站致密性增益

其中，當(dāng)基站的密度是λ1BSs/km2，則數(shù)據(jù)速率R1（以任意的測量方式，如邊緣速度或總速率）；當(dāng)基站密度為λ2（λ2＞λ1），則對應(yīng)的速率是R2.則致密性增益與密度增加所帶來的速率增長成正比.例如，如果網(wǎng)絡(luò)的密度提高一倍，邊緣數(shù)據(jù)速率增加50%（設(shè)增加的基站輕負載），則致密性增益ρ=0.5.

作為一個典型案例，在基于網(wǎng)格部署的城區(qū)，在給定的區(qū)域增加基站的數(shù)量，基站間距離從170 m減小至85 m，可增加5%的小區(qū)邊緣速率，即從24.5 Mbps增至1 396 Mbps，ρ=9.9.

縮小小區(qū)半徑，可以提高頻譜資源的空間復(fù)用率.早在1980年代，小區(qū)的范圍大約在幾百km2.此后，這個尺寸逐步收縮，現(xiàn)在通常在城區(qū)分裂為1 km2.例如，在日本，基站間的間距可能只有200 m，覆蓋區(qū)域不足0.1 km2的.網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，包括嵌套的small cells（小站），比如picocells（微站）（范圍不到100 m）和femtocells（微微站）（如WiFi的范圍）.根據(jù)預(yù)測，未來無線網(wǎng)絡(luò)中，在宏站的覆蓋區(qū)域中,各種無線傳輸技術(shù)的各類低功率節(jié)點的部署密度將達到現(xiàn)有站點部署密度的10倍以上，站點之間的距離達到10 m甚至更小，支持高達每km2，25 000個用戶，甚至將來激活用戶數(shù)和站點數(shù)的比例達到1:1，即每個激活的用戶都將有一個服務(wù)節(jié)點，從而形成超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò).

2.1.2 異構(gòu)性與認知無線技術(shù)

當(dāng)我們向5G邁進，網(wǎng)絡(luò)將變得越來越多樣.其中一個關(guān)鍵的特征是不同無線接入終端設(shè)備之間的整合，即5G激活設(shè)備能夠勝任潛在的新的5G基站（如在微米頻段的）的無線接入能力，也能在3G、眾多的版本4G LTE、一些型號的WiFi、可能還有D2D通信設(shè)備，適用于一個較廣的頻譜范圍.因此，對于網(wǎng)絡(luò)來說，多層覆蓋的多無線接入技術(shù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是5G網(wǎng)絡(luò)中必須解決的任務(wù).

認知無線技術(shù)是一個智能的通信系統(tǒng)，它可以認識到周圍的環(huán)境，有一套方法去了解建筑物，從環(huán)境中學(xué)習(xí)，適應(yīng)于其內(nèi)部狀態(tài)，以實時地調(diào)整某些參數(shù)（例如發(fā)射功率、載波頻率和調(diào)制方式）.綜合RF的變化，實現(xiàn)2個主要目標：無論何時何處高可靠性的通信和無線電頻譜的高效利用.根據(jù)定義，認知終端是（人工）智能終端設(shè)備，能夠從存在的無線網(wǎng)絡(luò)中智能地選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò).這種選擇基于時間、需求和資源.

對于移動和無線通信技術(shù)，從4G始，“互用性”就是最重要的，5G也是這樣.“互用性”系統(tǒng)意味著任何不同技術(shù)的系統(tǒng)可以協(xié)同工作并相互通信.使用認知無線終端，5G能實現(xiàn)互操作性，并保持一個好的服務(wù)質(zhì)量.在認知系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以根據(jù)位置、狀態(tài)選擇最佳的網(wǎng)絡(luò).不同的無線網(wǎng)絡(luò)整合并可通過認知無線設(shè)備相互通信.因此，在5G網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性條件下，認知無線技術(shù)是滿足用戶服務(wù)質(zhì)量的最佳選擇.

2.2 大規(guī)模MIMO技術(shù)

本質(zhì)上，MIMO系統(tǒng)的容量是多天線信道的容量問題，MIMO技術(shù)利用空間中的多徑因素，在發(fā)送端和接收端采用多個天線，通過空時處理技術(shù)實現(xiàn)分集增益或復(fù)用增益，充分利用空間資源，提高頻譜利用率.

在LTE階段，MIMO技術(shù)表現(xiàn)為每個移動終端設(shè)備2至4天線，基站扇區(qū)至多8天線.這是由于單用戶MIMO（SU-MIMO）的規(guī)模受限于可容納在一個移動設(shè)備上的天線數(shù)量.然而，由于每個基站多用戶同時通信，MIMO多用戶版（MU-MIMO）可以有效地將這些用戶的天線整合起來以克服這一瓶頸.此時，MIMO規(guī)模將取決于用戶和基站天線數(shù)量中較小的值.

這個概念最初被稱為“大規(guī)模天線系統(tǒng)”，但現(xiàn)在更多地被稱為“大規(guī)模MIMO”，在此構(gòu)想中，天線的數(shù)目和現(xiàn)在相比增加了1-2個數(shù)量級，每個基站天線的數(shù)量可以達到數(shù)百，甚至基站天線的數(shù)量比每時頻信號源的活躍用戶數(shù)量都大很多，也不足為奇.

2.3 高頻段的使用

當(dāng)前，中國的國際移動通信系統(tǒng)（IMT）包括2G，3G系統(tǒng)，以及剛商用的4G（LTE）系統(tǒng).可以看到，2.6G以下的頻率資源基本已經(jīng)枯竭，投入大量新的頻譜是唯一的途徑.

微波頻段已經(jīng)飽和，大量空閑的譜資源在微米波頻段卻是確實存在的.毫米波至今閑置不用的主要原因，是因為其不利的傳播特性被認為是不適合用于移動通信，包括較強的路徑損耗、大氣及雨水引起的衰減、周圍障礙物的低的衍射和穿透性，特別是強的相位噪聲和昂貴的設(shè)備成本.曾經(jīng)主流的觀點是特殊的60 GHz免執(zhí)照頻段頻率，主要適合用于短距離傳輸.然而，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，其成本迅速下降，并且其它相關(guān)傳播特性的障礙也被認為是可逐步克服的.

5G毫米波使用的研究發(fā)現(xiàn)：如果有源天線的尺寸是恒定的，頻率增加則覆蓋半徑收縮，其有效半徑正比于λ2/4π，并且收發(fā)天線之間自由空間的路徑損耗與載波頻率的平方成正比.因此，載波頻fc從3增加至30 GHz，在收發(fā)距離間無論如何將增加20 dB損耗.然而，如果當(dāng)頻率增加時，天線的覆蓋半徑在鏈路一端保持常量，路徑損耗也能保持不變.如果兩端天線半徑均保持常量，路徑損耗將以fc2減少：功率增益，更廣泛的信號帶寬可幫助抵消較高的底噪.因此，5G可能使用微米波，如6 GHz以上高頻段.

2.4 無線接入技術(shù)

2.4.1 射束分割多址技術(shù)（BDMA）

有限的頻譜資源對于移動和無線技術(shù)而言是一個重大的挑戰(zhàn)，即如何把有限的頻率和時間分配給不同用戶.由于這個情況，要實現(xiàn)提高系統(tǒng)的容量和質(zhì)量，目前使用的多址技術(shù)包括頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）、正交頻分多址（OFDMA）等.然而，現(xiàn)在使用的所有多址技術(shù)中，通信系統(tǒng)容量依賴于時間和頻率.如何發(fā)展多址接入系統(tǒng)，提高有限頻率的系統(tǒng)容量是一個新的挑戰(zhàn).韓國研究者建議BDMA作為5G的無線接口，而BDMA不依賴于頻率、時間資源.

目前發(fā)明的BDMA技術(shù)，根據(jù)MS的位置分配天線波束，實現(xiàn)多址接入，從而顯著增加系統(tǒng)的容量.按此觀點，MS和基站在視距（LOS）的狀態(tài)，因此他們明確知道彼此的位置.在此條件下，他們能夠?qū)⒉ㄊ苯觽魉偷奖舜说奈恢靡酝ㄐ?，而不受移動臺在小區(qū)邊緣的干擾.

為了在5G中適應(yīng)BDMA，就要發(fā)展相位陣列天線.智能天線要能夠調(diào)整波束.調(diào)整波束天線通過收集從基站和MS到達角（AOA）信息設(shè)置無線配置.自適應(yīng)天線陣列的使用，是提高能力的一個可能性.

2.4.2 非正交多址接入技術(shù)(NOMA)

5G的無線接入技術(shù)目前還有的觀點關(guān)注多載波調(diào)制，如濾波器組多載波（FBMC，_lter-bank based multicarrier），其天然的非正交性和不需要先前的分布式發(fā)射機同步.一種新的調(diào)制方式，被稱為通用濾波后的多載波（UFMC）被提出.開始是OFDM信號，過濾相鄰子載波組，以減少時間/頻率同步造成的旁瓣水平和載波間干擾.要解決OFDMA正交的時間窗口的缺點，即需要較大的保護帶CP，使用多載波濾波器組就可以允許大的傳輸時延和任意高的頻率補償.日益發(fā)展的軟件無線電，F(xiàn)FT塊的大小，子載波間隔和CP長度可根據(jù)信道條件改變.因此，OFDMA允許一些參數(shù)可調(diào)，可以很好地適應(yīng)5G的要求.

2.5 D2D（device to device）通信

5G網(wǎng)絡(luò)的密集性和異構(gòu)性，帶來很多新的網(wǎng)絡(luò)建模分析、設(shè)計和優(yōu)化的挑戰(zhàn).對于持續(xù)存在致密性小區(qū)收縮另一個方法在D2D通信模式中.

所謂D2D通信，允許鄰近的用戶建立直接的通信，以一個相對“短直跳”取代兩個通過基站無線“長跳”.當(dāng)無線業(yè)務(wù)存在較大空間局部性，D2D通信將帶來更少的功耗，更高的數(shù)據(jù)速率，以及更短的時延.因此D2D也必將對5G網(wǎng)絡(luò)起到重要的作用.

3 結(jié)束語

關(guān)于5G的整體思路是建立在現(xiàn)有的技術(shù)演進，輔以必要的新的無線接入技術(shù)，如大規(guī)模MIMO、超密集網(wǎng)絡(luò)、D2D通信、超可靠性的網(wǎng)絡(luò)等.預(yù)計在2020年，新頻帶的開發(fā)將支持大幅增加在移動數(shù)據(jù)量，并拓寬移動通信的應(yīng)用領(lǐng)域.

[1]AfifOsseiranetc.Scenarios for 5G Mobile and Wireless Communications:The Vision of the METIS Project[J].IEEE Communications Magazine，2014：25（6）：26-27

[2]余莉.第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版)，2014，26（4）：429-430.

[3]Jeffrey G.Andrews etc.What Will 5G Be?[J].Ieee Journal On Selected Areas In Communications，2014，32（6）：1065-1067.

（責(zé)任編輯 李健飛）

A Research of 5G Mobile Communication and its Key Technology

SHI Jiong
（Department of Telecom Communication Engineering，Anhui Vocational College of Post&Telecommunication，Hefei，Anhui 230031，China）

As for communication society in China，the year of 2014 stands for the first commercial year. The technology of post-4G age is called 5G.Compared to 4G in terms of the user peak rate，transmission delay，density of the connected devices，traffic density and the mobility，5G has a significant improvement. What is highly concerned about 5G at present mainly includes ultra dense network，large scale MIMO，new technology of wireless access，and new frequency bands.Though 5G is not clearly defined now，it is bound to play a dominant role in the coming mobile communication.

current development of 5G；5G key technology

TN929.5

：A

：1673-1972（2015）06-0013-03

2015-06-16

石炯（1972-），女，浙江上虞人，副教授，主要從事移動通信技術(shù)研究.