基于5G無線通信傳輸分析與探討

廣東理工學(xué)院 李欣雪 任 瑾 徐殿雙 唐東成

不久前，3G是最快的網(wǎng)絡(luò)。2009年12月，斯堪的納維亞電信供應(yīng)商Telia Sonera在奧斯陸和斯德哥爾摩發(fā)布了世界首個第三代伙伴合作計劃（3GPP）長期演進(jìn)（LTE，Long Term Evolution）標(biāo)準(zhǔn)。LTE是一個過渡的3.9G技術(shù)，是基于當(dāng)今CDMA的3.5G和3.75G移動標(biāo)準(zhǔn)，如HSPA（High-Speed Packet Access）和無線通信技術(shù)EV-DOrevB的演進(jìn)。該標(biāo)準(zhǔn)用于滿足蜂窩網(wǎng)絡(luò)更快的數(shù)據(jù)率，其物理層包含幾個高吞吐率的數(shù)字通信技術(shù)。與2G和3G采用單載波調(diào)制技術(shù)移動標(biāo)準(zhǔn)不同，LTE使用頻譜效率更高的多載波調(diào)制技術(shù)。通過支持高達(dá)20MHz的帶寬，高階調(diào)制方案，和4x4多輸入多輸出（MIMO）通道，LTE的下行信道可以下載300M/s的速度。到2011年，高級3GPPLTE可能會成為真正的第一代4G移動標(biāo)準(zhǔn)。高級LTE通過采用8x8MIMO下行通道，提供更高的數(shù)據(jù)率。高級LTE能夠采用測向算法測量移動站的角度，利用波束形成技術(shù)控制下行信號調(diào)整到最佳方向。通過通道聚合功能利用多個相鄰物理通道有效地改善吞吐量。隨著科技網(wǎng)絡(luò)的逐步發(fā)展以及通信4G網(wǎng)絡(luò)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。隨著科研人員對5G無線通信技術(shù)的研發(fā)，勢必給通信行業(yè)帶來新一代的革新。

無線消費者對帶寬的巨大需求刺激了國家研究機構(gòu)以及各大公司前所未有的投資，以探索新的方法來提高網(wǎng)絡(luò)容量以及滿足不斷增長的需求。業(yè)內(nèi)分析師預(yù)測不斷增長的數(shù)據(jù)需求將會超過已有的容量，這只是時間的問題。無線研究人員不斷提出各種觀點來解決容量挑戰(zhàn)，并尋求一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既可解決容量問題，也可提供以前認(rèn)為絕對不可能的特性和功能。概念的提出很大一部分是進(jìn)行軟件開發(fā)，從概念過渡到一個基于實際信號和波形的工作原型不僅需要大量的時間和金錢投資，而且也為集成新技術(shù)和功能的帶來重重障礙。將軟件可重配置性以及更快速原型開發(fā)相結(jié)合的設(shè)計方法將能夠以令人興奮的全新方式來設(shè)計、開發(fā)和部署這些技術(shù)。

手機問世多年以來，蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施幾經(jīng)變革。第一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)是以“模擬”技術(shù)為基礎(chǔ)的，比如高級移動電話服務(wù)（AMPS）。第二代（2G）系統(tǒng)主要采用數(shù)字技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)，例如全球移動通信系統(tǒng)（GSM）。在功能上，2G在通話的基礎(chǔ)上增加了基本SMS（短信）功能，但無線數(shù)據(jù)傳輸容量非常有限。那時使用2G移動設(shè)備來瀏覽網(wǎng)頁仍非常受限。無線數(shù)據(jù)主要用來發(fā)送短信、收發(fā)郵件和傳輸靜態(tài)圖片。而針對于3G技術(shù)，即第三代網(wǎng)絡(luò)，具有更高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，使用寬帶碼分多址（W-CDMA）已經(jīng)能夠傳輸一定大小的視頻。3G之后的演變有HSPA和HSPA+（相當(dāng)于3.5G），它們提供了更好的用戶體驗。不過，與大多數(shù)消費者用作比較基準(zhǔn)的WiFi或無線局域網(wǎng)的速度相比，在像視頻之類的大數(shù)據(jù)應(yīng)用傳輸速度方面仍然較慢。

現(xiàn)今，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商正在基于長期演進(jìn)（LTE）技術(shù)推出第四代（4G）網(wǎng)絡(luò)。LTE相比3G網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)流量方面有顯著的提升，峰值速率提高了5到6倍（見表1）。多數(shù)服務(wù)供應(yīng)商打算轉(zhuǎn)移至LTE-Advanced，也就是4.5G，該網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬預(yù)期將是LTE的兩倍。LTE和LTE-Advanced技術(shù)的到來，使得無線數(shù)據(jù)消費者目前擁有了一項在用戶體驗方面可以匹敵WiFi的通信技術(shù)。

表面來看，隨著LTE的發(fā)展，未來無線數(shù)據(jù)傳輸容量似乎可以在用戶體驗方面與WiFi平起平坐，至少從表面上降低或減輕了對大幅提高帶寬的需求。然而，隨著智能手機、平板電腦等智能設(shè)備的迅速普及，網(wǎng)絡(luò)容量和帶寬消耗也在加速。實際上，行業(yè)分析師預(yù)測2014年的無線數(shù)據(jù)需求量將會超過2009年的35倍以上（見表1），并且這種增速會一直持續(xù)。容量實際上是帶寬的函數(shù)。單位時間傳輸?shù)谋忍卦蕉?，就越能更快地釋放頻譜滿足其他用戶及其數(shù)據(jù)需求。雙倍的數(shù)據(jù)傳輸率能夠有效地將數(shù)據(jù)容量提升2倍。因此，5G研究的主要動力就是通過帶寬增加來提升網(wǎng)絡(luò)容量，避免容量不足。

表1 移動數(shù)據(jù)流量的行業(yè)數(shù)據(jù)圖

目前，現(xiàn)有的LTE和LTE-Advanced是否能完全滿足消費者的客觀需求?

針對于這一問題，考慮到無線用戶對數(shù)據(jù)的消費速率，一個讓整個行業(yè)真正擔(dān)心的問題是，如果沒有重大的技術(shù)升級，不久的將來網(wǎng)絡(luò)容量就會變得非常受限。以目前的LTE速率為例，其下行速率為300Mbps，上行速率為150Mbps。該速率比3G和3.5G技術(shù)要快4到5倍。LTE-Advanced則可將速率進(jìn)一步提升2到4倍。這樣，在過去10到15年的時間里，全球移動運營商已將通信容量提升了20倍。而與此同時，需求卻增加了100多倍。由此，LTE-Advanced的必要性和新五代網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性不言而喻。實際上，無線基礎(chǔ)設(shè)施公司及3GPP標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的其他成員提出了一項挑戰(zhàn)，即到2020年將數(shù)據(jù)容量提升1000倍。

面對挑戰(zhàn)，5G將如何解決“帶寬/容量”危機？

首先，關(guān)于5G的討論已有很多，5G將會是什么，又將不會是什么。眾所周知，5G將會比如今的4G以及最終的LTE-Advanced（有時又被稱為4.5G）速度都要快許多。真正的問題是，在現(xiàn)有設(shè)備和可用頻譜等基礎(chǔ)設(shè)施的狀況下，如何才能實現(xiàn)更快的性能和更高的容量。目前的共識是，沒有什么“靈丹妙藥”或者哪一種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)所需的帶寬擴展，但是多種先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合則能夠做到，比如包含小型蜂窩和多點協(xié)調(diào)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、頻譜再分配，以及自組織網(wǎng)絡(luò)（SON）等其他先進(jìn)技術(shù)。

正在研究哪些技術(shù)來支持潛在5G標(biāo)準(zhǔn)？

現(xiàn)如今人們正在研究用來提高頻譜效率、降低區(qū)間干擾的幾種技術(shù)，諸如異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、小型蜂窩、中繼及多點之間的協(xié)調(diào)等。這些研究的根本動機是通過增加密度降低每個基站負(fù)載，而這相應(yīng)地又會提升較小地理區(qū)域內(nèi)用戶的頻譜效率。所有可供選擇的技術(shù)都側(cè)重在部署更多的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，同時利用智能技術(shù)（如多點協(xié)調(diào)、波束成形等）進(jìn)一步提升利用率。歸根究底，通過基站級網(wǎng)絡(luò)信息共享，每個用戶的負(fù)載和覆蓋率就能夠得到優(yōu)化，從而更高效地利用現(xiàn)有頻譜。一個更為困難的挑戰(zhàn)是頻譜的可用性。為了提高數(shù)據(jù)的吞吐量和可靠度，3G到4G技術(shù)的轉(zhuǎn)變引入了新的技術(shù)，但往往被忽略的一點是，LTE技術(shù)推出的同時也引入了新的頻譜。譬如，美國聯(lián)邦政府對700MHz頻譜進(jìn)行拍賣，專門用于部署LTE。3GPP提供了新的編碼和調(diào)制技術(shù)，但是這些新技術(shù)大部分（即便不是完全）都是部署在專用的新頻譜上。

對于5G而言，答案并不那么簡單。除非行業(yè)、政府和相關(guān)頻譜規(guī)范機構(gòu)可以對何時及如何再分配頻譜達(dá)成一致，否則6GHz以下根本就沒有頻譜可用。再分配頻譜并不是一件容易的事，因為許多服務(wù)運營商為得到在用頻譜已經(jīng)支付了數(shù)十億美元，變革絕非那么廉價易成。特別值得一提的是紐約大學(xué)無線研究中心的TedRappaport博士正在進(jìn)行的研究。Dr.Rappaport一直在研究28GHz、38GHz和60GHz的頻譜以及覆蓋紐約市71-76GHz頻率的E波段的特征——這是一個非常有挑戰(zhàn)性的測試環(huán)境。測量結(jié)果表明，這些頻率都有可能進(jìn)行無線戶外通信，但是讓通信變得切實可行還需要大量投資。

根據(jù)目前現(xiàn)有的技術(shù)，今后能否達(dá)到高速度的傳輸這個目標(biāo)是一直在研究的問題。

無論選擇哪種技術(shù)都不能簡單輕松地解決無線數(shù)據(jù)危機。通信行業(yè)必須打破傳統(tǒng)思維，包括設(shè)計流程在內(nèi)。人們普遍認(rèn)為毫米波頻率不適合用于蜂窩數(shù)據(jù)傳輸，基于該頻譜的網(wǎng)絡(luò)也并不可行。Rappaport博士的研究從根本上挑戰(zhàn)了這種想法。他已經(jīng)證明利用這些頻率進(jìn)行可靠的傳輸和接收是有可能的，不過目前仍要做很多工作。從本質(zhì)上來說，所有低于6GHz通信相關(guān)的研究思路都必須要轉(zhuǎn)變，才能為RF前端設(shè)計和天線技術(shù)、波束成形、物理層設(shè)計甚至新協(xié)議的研究創(chuàng)造機會。

雖然許多技術(shù)剛出現(xiàn)且有待開發(fā)，但令人鼓舞的是在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上推出新數(shù)據(jù)容量并不是無前例可循。即使考慮到了物理層、小型蜂窩和RF前端（MIMO）等6GHz以下的所有研究，網(wǎng)絡(luò)仍然會受限于Shannon理論：通信信道會受到帶寬和噪聲的限制。雖然異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以提高容量，但是誰也不知道僅僅這樣是否能夠?qū)崿F(xiàn)2020年容量提升1000倍的目標(biāo)。如果沒有可用的帶寬，那么就必須要在別處找到新的頻譜。

通常一個典型的“設(shè)計”方法是要先提出一個想法、然后進(jìn)行仿真并建立原型。由于開發(fā)可工作原型耗資巨大，因此在原型之前通常會在設(shè)計和模擬階段反復(fù)進(jìn)行試驗。如果理論上存在根本性問題，就要返工重做。因此，在計劃原型開發(fā)之前通常就會有大量的仿真工作。與傳統(tǒng)方法一樣，從概念、仿真到原型需要耗費很長的時間和眾多的資源。換言之，整個過程耗資巨大。設(shè)計過程中最重要的目標(biāo)是盡早交付可工作原型，這樣才能在設(shè)計初期將真實狀況和系統(tǒng)問題考慮在內(nèi)。

目前大部分的仿真主要使用加性高斯白噪聲（AWGN）來建立信道模型。隨著5G新技術(shù)研究的展開，傳統(tǒng)的信道模型已經(jīng)不能很好地代表現(xiàn)實狀況。系統(tǒng)工程師和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員還必須考慮開發(fā)一個具有高性價比和低功耗（以延長電池壽命）的平臺上來部署新算法/協(xié)議的處理需求以及可行性。因此，盡可能早地開發(fā)出原型是非常重要的。

總之，針對于5G技術(shù)的革命，關(guān)于5G的整體思路是建立在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行推進(jìn)，新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等演進(jìn)技術(shù)的有機結(jié)合，輔以必要的新的無線通信接入技術(shù)，如大規(guī)模MIMO、超密集網(wǎng)絡(luò)、終端直連D2D通信、超可靠性的網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模天線陣列等。移動互聯(lián)網(wǎng)的強勁發(fā)展，推動5G通信技術(shù)的不斷探索和發(fā)展，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，效地應(yīng)對未來移動信息社會的發(fā)展。

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