5G發(fā)展及關鍵技術綜述

唐子行　鄒麗萍　丁曉桐

摘要：為了更好地滿足多樣化的通信業(yè)務需求，第五代移動通信系統(tǒng)應運而出。本文首先介紹了移動通信的發(fā)展以及技術演進，其次對5G中所應用的關鍵技術——軟定義網(wǎng)絡、大規(guī)模MIMO與超密集組網(wǎng)進行了綜合性闡述。

關鍵詞：移動通信5G SDN大規(guī)模MIMO超密集組網(wǎng)

引言

在瞬息萬變的信息時代背景下，萬物互聯(lián)概念的提出、數(shù)據(jù)業(yè)務類型的多樣化等，對通信網(wǎng)絡的可靠性、有效性有了更高的要求。而現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)難以滿足這樣的需求，因此需研發(fā)具有更高通信效率以及更大通信容量的5G移動通信系統(tǒng)。

1移動通信系統(tǒng)演進

20世紀80年代大哥大的出現(xiàn)標志了第一代移動通信技術的誕生，1G通信以模擬技術為基礎，僅供語音信號的傳輸，且通信容量有限，通信設備昂貴笨重。相較于第一代，2G GSM系統(tǒng)增加了短信業(yè)務，信息傳輸速率為9.6-14.4kbps。3G系統(tǒng)讓無線通信和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸完美結合在一起，速率一般在幾百kbps以上，可以同時傳輸語音和數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)實時通信，為用戶提供了除短信、語音業(yè)務外的多媒體業(yè)務，并能夠在全球范圍內更好地實現(xiàn)無限漫游。第四代移動通信技術，相比之前的技術而言，4G具有超高數(shù)據(jù)傳輸速度，下載速度達到lOOMbps，上傳的速度可以到20Mbps，可以滿足大部分用戶對于無線聯(lián)網(wǎng)服務的要求。

移動通信系統(tǒng)業(yè)務的增加性能的提高都是基于其標準的改變，具體有：

（1）多址技術

1G系統(tǒng)采用頻分多址（FDMA）的模擬調制方式，將介于300Hz到3400Hz的語音信號調制到高頻的載波頻率上;2G系統(tǒng)以后均采用數(shù)字調制的方式，采用時分多址（TDMA）以及碼分多址（CDMA）技術;3G采用WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大主流無線接口標準，其中TD-SCDMA為中國自主研發(fā)的標準;4G可分為FD-LTE和FDD-LTE兩大類別，改進并增強了3G空中接入技術，采用非正交多址（OFDMA）大幅度提高了頻譜利用效率。

（2）信道編碼

在GSM系統(tǒng)中，移動通信系統(tǒng)采用卷積碼與交織，在保證了一定信息傳輸速率的前提下，服務質量（QoS）得到很好的改善。3G系統(tǒng)相較于2G系統(tǒng)可以提供更加多樣化的業(yè)務，對信道編碼提出更高要求，因此在3G系統(tǒng)中，采用卷積碼用于語音和低速率數(shù)據(jù)的糾錯編碼，而把Tu rbo碼和交織技術作為高數(shù)據(jù)的信道編碼方案。4G系統(tǒng)考慮到上下行鏈路以及發(fā)信設備的差別，上行采用分組Turbo碼，下行采用LDPC編碼方式。

另外，從3G系統(tǒng)便采用了擴頻技術，提高了信號的抗干擾能力，極大改善了CDMA系統(tǒng)的性能。4G系統(tǒng)后出現(xiàn)的MIMO技術允許多個天線同時發(fā)送和接收多個空間流，并能夠區(qū)分發(fā)往或來自不同空間方位的信號，提供空間復用增益及空間分集增益，提高了信道的容量以及可靠性。相較于前4代移動通信系統(tǒng)，5G移動系統(tǒng)具有高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時延、萬物互聯(lián)5個典型特點。峰值速率在靜止或低速狀態(tài)下達到lOGbps，在高速移動（移速大于300km/h）或用戶處于邊緣時保證lGbps，特定場景下甚至可達20Gbps[3]。5G系統(tǒng)下的時延可降至Ims，為無人駕駛提供了更加可靠的發(fā)展條件。5G系統(tǒng)采用非正交多址接人（NOMA），再次有效提高了頻譜利用效率。

2關鍵技術

2.1軟定義網(wǎng)絡（SDN）

相較于傳統(tǒng)的基于硬件實現(xiàn)的移動網(wǎng)絡，SDN具有邏輯集中控制、可編程性、靈活性高、網(wǎng)絡自管理、低成本等特點。網(wǎng)絡可編程性與通用應用程序編程接口加快了移動網(wǎng)絡中的業(yè)務創(chuàng)新，操作員可以靈活地在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)上創(chuàng)新以及測試各種控制應用程序。與當今基于硬件的應用程序的部署方式相比，基于軟件的應用程序部署方式更加快捷方便。

SDN將控制面與數(shù)據(jù)面相分離，并允許通過集中控制器控制網(wǎng)絡，有利于移動網(wǎng)絡的安全性管理以及引入新的基于SDN的安全機制。SDN架構中回程設備減少了控制面功能，PCRF、HSS、MME等網(wǎng)元可以在應用層以軟定義方式實現(xiàn)，因此SDN交換機不需要具有高處理能力的硬件'僅需采用低成本交換機對數(shù)據(jù)進行低量處理。另外，基于流量的控制模型支持粒度流控制策略，且控制器可以基于網(wǎng)絡行為動態(tài)地調整這些控制策略。

SDN與網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）相適應，虛擬化網(wǎng)絡設備可在需要時按需配置資源，并擴展資源以滿足需求。

2.2大規(guī)模MIMO天線與3D-MIMO

為了滿足5G移動網(wǎng)絡中對更高頻譜效率的需求。大規(guī)模MIMO技術被運用到5G基站中，預計有源天線數(shù)可達64或128個。通過在基站端配置大量天線來服務于多個用戶，大規(guī)模MIMO技術能增加系統(tǒng)容量，提升能量效率和頻譜效率。由隨機矩陣理論分析可知，隨著基站天線數(shù)量的增加，系統(tǒng)將不再受非相干噪聲與快衰落的影響。

大規(guī)模天線系統(tǒng)中的天線數(shù)是與用戶數(shù)量呈正比的，而隨著天線數(shù)量的增加，如果天線依然僅放置在一條水平線上，集成天線板的面積將會相當大。因此考慮依照二維網(wǎng)格的方式放置，這種天線系統(tǒng)又被稱為3D-MIMO。3D-MIMO技術不僅具備大規(guī)模發(fā)射天線的空間自由度，更重要的是其可以調整波束的水平與垂直方向，更強的波束賦性能力進一步提高了空間復用的復用率，同時有利于減小小區(qū)間干擾。

3D MIMO的一項核心技術即所謂的有源天線系統(tǒng)（AAS）。AAS技術將射頻元件（功率放大器和收發(fā)器嶼天線元件集成在一起。以這種方式，可以電子控制每個天線元件的信號的相位和幅度，從而有助于更靈活和智能的波束賦形，增加系統(tǒng)容量和覆蓋范圍。

2.5超密集組網(wǎng)

目前針對超密集組網(wǎng)超密集組網(wǎng)的量化定義主要有兩種：一種定義為網(wǎng)絡中的小區(qū)數(shù)多于活躍用戶數(shù);另一種定義為該網(wǎng)絡的密度大于[（l0）]°3（小區(qū)數(shù)/平方公里）。超密集組網(wǎng)基本思想即使接入站點盡可能接近用戶端。

與傳統(tǒng)組網(wǎng)方式相比，超密集組網(wǎng)系統(tǒng)容量更大，頻譜利用率更高。同時，在超密集組網(wǎng)中，可以利用微小區(qū)對邊緣、陰影地區(qū)實現(xiàn)無縫覆蓋，改善用戶體驗。

另一方面，小區(qū)部署的密集化也通信系統(tǒng)帶來了新的問題：

（1）干擾管理

由于小區(qū)的微小型化，無線密集網(wǎng)絡中將存在大量同頻小區(qū)，一個小區(qū)周圍存在大量鄰接小區(qū)，這給協(xié)調干擾管理帶來挑戰(zhàn)。目前有人提出采用多域（時域、頻域、空間域）干擾管理解決這一問題。

（2）發(fā)現(xiàn)小小區(qū)

密集網(wǎng)絡中大量小小區(qū)均位于用戶附近，用戶處在多個小小區(qū)的干擾范圍內，使得小區(qū)檢測難度提高。

（3）回傳線路

廣泛部署密集網(wǎng)絡的瓶頸之一就是回程線路，隨著密集網(wǎng)絡中接人節(jié)點數(shù)量的增加，如何優(yōu)化回程網(wǎng)絡的問題也愈發(fā)突出，其中無線回程成為一種可行方案。

參考文獻

[1]李建東，郭梯云，鄔國揚.移動通信[M].第四版，西安：西安電子科技大學出版社，2006：220 226.

[2]李兆玉，何維，戴翠琴.移動通信[M].電子工業(yè)出版社，2017

[3] Liyanage M， Abro A B，Ylianttila M， et al. Opportunitiesand Challenges of Software-Defined Mobile Networks in NetworkSecurity[J].IEEE Security&Privacy， 2016， 14（4）：34-44.