5G關(guān)鍵技術(shù)綜述

張冬梅

摘 要：5G是最新一代移動通信系統(tǒng)技術(shù)，目前已基本完成標(biāo)準(zhǔn)化和關(guān)鍵技術(shù)研究。本文簡介了5G系統(tǒng)架構(gòu)，主要應(yīng)用場景，重點對5G系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)進行介紹，最后展望了5G網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：5G；架構(gòu)；大規(guī)模多天線；全雙工；編碼；多址技術(shù)

一、引言

20世紀(jì)70年代以來，移動通信從第一代的模擬語音通信發(fā)展到當(dāng)前可以提供高質(zhì)量移動寬帶多媒體服務(wù)，終端從k比特每秒上升到現(xiàn)在的G比特每秒，用戶體驗不斷提高。網(wǎng)絡(luò)流量不斷提升，新的無線技術(shù)也不斷地應(yīng)用到移動通信系統(tǒng)中去。隨著人們對通信的需求不斷增長，現(xiàn)有的技術(shù)也逐漸無法滿足未來通信的需求。與前四代技術(shù)相比，第五代移動通信技術(shù)提供的業(yè)務(wù)種類和服務(wù)質(zhì)量更加豐富。5G要面對多樣化場景的差異化性能需求，這就需要引進多種技術(shù)來滿足不同的通信場景。國際電信聯(lián)盟（ITU）是5G標(biāo)準(zhǔn)研制組織，其將5G命名為IMT-2020。ITU定義了5G主要應(yīng)用場景，包括移動寬帶場景，大規(guī)模機器通信場景和高可靠低時延通信場景。

二、 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)將融合多類現(xiàn)有或未來的無線接入傳輸技術(shù)和功能網(wǎng)絡(luò)，例如傳統(tǒng)的蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模多天線網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，無線局域網(wǎng)，無線傳感網(wǎng)，小基站，可見光通信和設(shè)備直連通信等等，通過運營商統(tǒng)一的核心網(wǎng)絡(luò)進行管控，以提供超高速率和超低時延的用戶體驗和多場景的一致無縫服務(wù)。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一方面引入了軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV等技術(shù)，實現(xiàn)控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能的分離，以及網(wǎng)元功能和物理實體的解耦，從而實現(xiàn)多類網(wǎng)絡(luò)資源的實時感知與調(diào)配，以及網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)功能的按序提供和適配。另一方面，進一步增強接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的功能，接入網(wǎng)提供多種空口技術(shù)，支持多連接、自組織等方式復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，核心網(wǎng)進一步下沉轉(zhuǎn)發(fā)平面、業(yè)務(wù)存儲和計算能力，更高效實現(xiàn)對差異化業(yè)務(wù)的按序編排。

在上述技術(shù)的支撐下，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)課分為控制面，接入面和轉(zhuǎn)發(fā)面。控制面通過網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)，實現(xiàn)集中控制功能和無線資源的全局調(diào)度；接入面包含多類基站（例如宏基站，微基站，微微基站，家庭基站等）和無線接入設(shè)備，用于實現(xiàn)快速靈活的無線接入?yún)f(xié)同控制和提高資源利用率；轉(zhuǎn)發(fā)面包含分布式網(wǎng)關(guān)并集成內(nèi)容緩存和業(yè)務(wù)流加速等功能，在控制面的統(tǒng)一管控下實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)俠侶和路由和靈活性的提升。

三、5G關(guān)鍵技術(shù)

1.大規(guī)模多天線技術(shù)（Massive MIMO）

現(xiàn)有的4G基站只有十幾根天線，但5G基站可以支持上百根天線，這些天線可以通過多入多出（MIMO）技術(shù)形成大規(guī)模天線陣列。這就意味著基站可以同時從更多用戶發(fā)送和接收信號，從而將移動網(wǎng)絡(luò)的容量提升數(shù)十倍倍或更大。在5G的大規(guī)模天線場景下，宏蜂窩和微蜂窩兩種小區(qū)共存，同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存，還有室內(nèi)場景和室外場景。按照經(jīng)驗，陸地移動通信系統(tǒng)70%的通信來自于室內(nèi)，因此，大規(guī)模多天線傳輸信道課分為宏基站對室內(nèi)、室外用戶，微基站對室內(nèi)、室外用戶，微基站還可作為中繼站中繼宏基站信號，相應(yīng)的信道也要考慮中繼場景下宏基站和微基站之間傳輸，基站天線理論上可以趨于無限大。

大規(guī)模多天線技術(shù)能極大的提升空間分辨率，采用的波束成型技術(shù)能極大的減少干擾，當(dāng)傳統(tǒng)系統(tǒng)使用時域或頻域為不同用戶之間實現(xiàn)資源共享時，大規(guī)模多天線技術(shù)則導(dǎo)入了空間域的唯度，進一步提升頻譜效益與能源效率。

大規(guī)模多天線技術(shù)還存在一系列挑戰(zhàn)，例如導(dǎo)頻污染。上行信道估計時，不同小區(qū)的用戶使用同一套導(dǎo)頻序列，或者非正交的導(dǎo)頻序列時，導(dǎo)致基站側(cè)進行信道估計的結(jié)果是被臨站導(dǎo)頻污染過的結(jié)果，最終接收性能并不隨著天線數(shù)的增加而增加。實際場景中，設(shè)計和完成大規(guī)模多天線需要靈活的適應(yīng)復(fù)雜的無線電環(huán)境，因此完成大規(guī)模多天線的搭建是很難的。

2.信道編碼

低密度奇偶檢驗（LDPC）和極化碼（Polar）是5G信道編碼的關(guān)鍵候選碼。5G網(wǎng)絡(luò)要求將端到端的時延降低到4G網(wǎng)絡(luò)的5倍以下，連接的設(shè)備數(shù)達(dá)到4G網(wǎng)絡(luò)的10～100倍。為了滿足5G的這些高性能要求，選擇的編碼方案不僅要有很好的抗干擾性能，還要有很高的能量利用率，低系統(tǒng)時延和高頻譜利用率，能應(yīng)用于多終端場景下。

LDPC有很好的抗干擾性能，唯一的缺點在于其復(fù)雜性較高，關(guān)于LDPC碼的研究集中在尋找低復(fù)雜度的編碼算法以及LDPC在實際通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。LDPC與4G系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的Turbo碼相比，采用了一種稀疏矩陣的并行迭代算法，硬件實現(xiàn)上更為容易，更具有優(yōu)勢。Polar是一種基于信道極化現(xiàn)象的新型編碼方案，它是目前唯一一種在理論上在二進制離散無記憶信道中的通信系統(tǒng)容量能夠達(dá)到香農(nóng)極限的編碼方式。

3.全雙工

全雙工技術(shù)是指設(shè)備的發(fā)射機和接收機占用相同的頻率資源同時進行工作，使得通信兩端在上、下行可以在相同時間使用相同的頻率，突破了現(xiàn)有的頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）模式，這是通信節(jié)點實現(xiàn)雙向通信的關(guān)鍵之一，也是5G所需的高吞吐量和低延遲的關(guān)鍵技術(shù)。

在同一信道上同時接收和發(fā)送，這無疑大大提升了頻譜效率。但是5G要使用這一顛覆性技術(shù)也面臨著不小的挑戰(zhàn)，據(jù)資料顯示，主要有以下三大挑戰(zhàn)：（1）電路板件設(shè)計，自干擾消除電路需滿足寬頻（大于100MHZ）和多MIMO（多于32天線）的條件，且要求尺寸小、功耗低以及成本不能太高。（2）物理層、MAC層的優(yōu)化設(shè)計問題，比如編碼、調(diào)制、同步、檢測、偵聽、沖突避免、ACK等，尤其是針對MIMO的物理層優(yōu)化。（3）對全雙工和半雙工之間動態(tài)切換的控制面優(yōu)化，以及對現(xiàn)有幀結(jié)構(gòu)和控制信令的優(yōu)化問題。

4.多址接入

多址接入是每一代移動通信技術(shù)的關(guān)鍵特征，5G除了支持傳統(tǒng)的OFDMA技術(shù)外，還支持SCMA，NOMA，PDMA，MUSA等多種新型多址技術(shù)。新型多址技術(shù)的疊加傳輸，不僅可提高用戶連接數(shù)，還可提高系統(tǒng)頻譜效率，避免競爭計入，大幅降低時延。

非正交多址接入（NOMA）是基于功率域復(fù)用的新型多址技術(shù)方案，以增加接收端的復(fù)雜度微代價換取更高的頻譜效率。包含2中關(guān)鍵技術(shù)。

稀疏編碼多址接入（SCMA）是基于碼域復(fù)用的多址技術(shù)，將OAM調(diào)制和簽名傳輸過程融合，輸入的比特流直接映射成一個從特定碼本里選出的多維SCMA碼子，然后再以稀疏的方式傳播到物理資源單元上。

圖樣分割多址接入技術(shù)（PDMA）是基于發(fā)送端和接收端聯(lián)合設(shè)計的新型非正交多址接入技術(shù)。多用戶共享接入（MUSA）是5G潛在的多址接入技術(shù)，但是它的實現(xiàn)具有一定的挑戰(zhàn)性。

四、總結(jié)

目前，世界各國針對5G移動通信技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化以及產(chǎn)品發(fā)展方面進行了大量投入，大量新技術(shù)的應(yīng)用，極大的提升了5G系統(tǒng)性能。未來為了應(yīng)對信息社會高速發(fā)展的趨勢，5G還會在網(wǎng)絡(luò)智能化，感知能力和自調(diào)整能力方面進行研究，綠色能源也是5G未來發(fā)展的重要方向。

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