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移动通信技术论文

浅谈5G移动通信技术

摘要

2013年12月，我国工信部正式向三大运营商发放4G牌照，4G在中国正式走向商用。

在4G技术刚刚走向商用，全球4G建设部署方兴未艾之时，5G的研发工作已经如火如荼，2013年2月，欧盟宣布，将拨款5000万欧元，加快5G移动技术的发展，计划到2020年推出成熟的标准。

三星表示，其5G网络已成功在28千兆赫（GHz）波段下达到了1Gbps，相比之下，当前的第四代长期演进（4GLTE）服务的传输速率仅为75Mbps。

2013年4月8日博鳌亚洲论坛，中国移动战略决策咨询委员会主任王建宙表示，从全球情况来看，4G快速发展已成为现实，5G的研究也在快速展开和成熟。

关键词5G、性能特点、发展动力、演进、无线传输、无线网络

ABriefIntroductionof theFifthGenerationMobileCommunication

Abstract：

InDecember2013,ourindustryandissuing4GlicensesinChina,4GofficiallyintothecommercialformallytothethreeoperatorsMinistryofInformation.4Gtechnologyisonlyinbusiness,constructionrisingglobaldeploymentof4G,5Gresearchworkhasbeeninfullswing,inFebruary2013,theEUannounced50millioneurosinfundingtoacceleratethedevelopmentof5Gmobiletechnology,planstolaunchamaturestandard2020.Samsungsaidithassuccessfullyissued5Gnetworkto1Gbps28000MHzband（GHz）,comparedtothecurrentfourth-generationLongTermEvolution（4GLTE）transferrateofserviceisonlyjust75Mbps.BoaoForumforAsia,April8,2013were,directorWangChinaMobilesaidthestrategicdecisionoftheAdvisoryCommittee,fromaglobalperspective,therapiddevelopmentof4Ghasbecomeareality,5Gresearchisstillintherapidexpansionandmaturation.

KeyWords:

5G,performancecharacteristics,thedevelopmentofdynamicevolution,wirelesstransmission,wirelessnetwork

1、简要介绍

二十一世纪以来，智能终端的普及以及移动业务应用的蓬勃发展，促使移动互联网呈现出爆炸式发展趋势，统计数据表明，无线业务流量以每年接近100%的速度增长，这意味着未来十年，无线数据流量将增长1000倍。

数据表明，2020年后，现阶段正在部署的4G技术已经无法满足日益增长的移动互联网和物联网业务的发展需求。

这正是5G发展的主要驱动力，未来的5G将服务于人们日常学习工作生活的方方面面，如：

无线支付、移动办公、智能家居、位置服务、远程医疗等等。

同时，也将与电网、交通、医疗、家居等传统行业深度融合，衍生出大量以物为主体的终端。

这些都对未来的5G的性能指标提出了更多，更高的要求，与4G相比，除了速率、时延等传统的空口性能指标需要进一步提升外，还需要考虑用户体验速率、连接数密度、频谱效率、能效以及成本等进一步体现5G系统的先进性的指标。

1.1频带利用率高

在5G移动通信技术中，高频段的频谱资源将被应用的更为广泛，但是在目前科技水平条件下，由于会受到高频段无线电波的穿透能力影响，高频段频谱资源的利用效率还是会受到某种程度的限制，但这不会影响光载无线组网、有线与无线宽带技术的融合等技术的普遍应用。

1.2.通信系统性能有很大提高

传统的通信系统理念，是将信息编译码、点点之间的物理层面传输等技术作为核心目标，而5G移动通信技术的不同之处在于，它将更加广泛的多点、多天线、多用户、多小区的相互协作、相互组网作为重点的研究突破点，以大幅度提高通信系统的性能。

1.3.设计理念先进

在通信业务中，占据主导地位的是室内通信业务的应用，5G移动通信系统的优先设计目标定位在室内无线网络的覆盖性能及其业务支撑能力上，这将改变传统移动通信系统的设计理念。

1.4.能耗和运营成本降低

5G无线网络的“软”配置设计，将是未来该技术的重要研究、探索方向，网络资源可以由运营商根据动态的业务流量变化而实时调整，这样，可以有效降低能耗和网络资源运营成本。

1.5主要的考量指标

5G通信网络技术的研究，将更为注重用户体验，交互式游戏、3D、虚拟实现、传输延时、网络的平均吞吐速度和效率等指标将成为考量5G网络系统性能的关键指标。

1.65G移动通信技术的优点

5G移动通信技术，作为最新一代的移动通信技术，其应用必将大大提高频谱利用效率及其能效，在资源利用和传输速度效率方面较4G移动通信技术能提高至少一个等级，在系统安全、传输时延、用户体验、无线覆盖的性能等各个方面也将得到显著的提升。

5G移动通信技术结合其他无线通信技术后，将构成新一代高效、完美的移动信息网络，可以满足未来十年的移动信息网络的发展需求。

不久的将来，5G移动通信系统一定程度上还将具备较大的灵活性，实现自我调整、网络自感知等智能化功能，可以有充分的准备应对未来移动网络信息社会的不可预测的飞速发展。

2、主要推动力

2.1互联网的快速发展

移动互联网的快速发展是推动5G移动通信技术发展的主要动力，移动互联网技术是各种新兴业务的基础平台，目前现有的固定互联网络的各种服务业务将通过无线网络的方式提供给用户，后台服务及云计算的广泛应用势必会对5G移动通信技术系统提出较高的要求，尤其是在系统容量要求与传输质量要求上。

5G移动通信技术的发展目标主要定位在要密切衔接其他各种无线移动通信技术上，为快速发展的网络通信技术提供全方位和基础性的业务服务。

就世界各国的初步估计，包括5G移动通信技术在内的无线移动网络，其在网络业务能力上的提升势必会在三个维度上同步进行：

第一，引进先进的无线传输技术之后，网络资源的利用率将在4G移动通信技术的基础上提高至少10倍以上；第二，新的体系结构（如高密集型的小区结构等）的引入，智能化能力在深度上的扩展，有望推进整个无线网络系统的吞吐率提升大概25倍左右；第三，深入挖掘更为先进的频率资源，频谱资源是推动移动通信与信息产业发展的核心资源，4G时代频谱资源已经很紧缺，未来的5G不得不考虑这个严峻的问题，故需要深入挖掘更为先进的频率资源，比如可见光、毫米波、高频段等，使得未来的无线移动通信资源较4G时代扩展4倍左右。

为了提升5G移动通信技术的业务支撑能力，其在网络技术方面和无线传输技术方面势必会有新的突破。

在网络技术方面，将采用更智能、更灵活的组网结构和网络架构，比如采用控制与转发相互分离的软件来定义网络架构、异构超密集的部署等。

在无线传输技术方面，将会着重于提升频谱资源利用效率和挖掘频谱资源使用潜能，比如多天线技术、编码调制技术、多址接入技术等等。

2.2商业发展

技术与商业发展是相辅相成的关系有时候是技术推动商业发展，有时候是商业竞争推动技术进步。

在韩国，引入5G的一个主要原因就是助推经济发展，通过5G，韩国政府希望能够加大韩国运营商与制造商的投资和合作，实现国家基础设施设备业的发展。

而在国内，运营企业和知名设备制造商对此也是摩拳擦掌，以期取得市场先机。

据了解，华为早在2009年就启动了5G研究，并表示将在2013年~2018年间至少投资6亿美元进行5G研发。

3、5G的演进路线

目前，4G已经进入规模商用阶段，5G是继4G后新一代的移动通信技术，从移动通信发展现状以及技术、标准与产业的演进趋势来看，未来5G移动通信技术的演进存在三条重要的演进路线，分别为以LTE/LTE-Advanced为代表的蜂窝演进路线、WLAN演进路线和革命性演进路线。

3.1LTE/LTE-Advanced

LTE/LTE-Advanced已经是事实上的全球统一的4G标准，由于LTE的大规模技术革新已经大量使用了近20年来学术界积累的先进信号处理技术，如OFDM，MIMO，自适应技术等，在继续完善技术应用的同时，LTE-Advanced的技术发展将更多地集中在RRM（无线资源管理）技术和网络层的优化方面。

并将会在5G阶段继续演进。

在产业化方面，LTE在全球范围内的商用化进程在不断加快。

标准化方面，虽然由于LTE与现有3Gpp版本存在版本兼容性差，导致4G商用在LTE方面需要投入较大的部署成本和较长的普及时间，但是3GPPR12版本的标准化工作正在对小小区增强技术、新型多天线技术、终端直通技术、机器间通信等新技术开展研究和标准化工作，新技术的投入带来的是更快，更好的LTE版本完善。

随着更多的先进技术融入到LTE/LTE-Advanced技术标准中，给蜂窝移动通信带来了强大的生命力和发展潜力。

3.2WLAN

无线局域网（WLAN）是当今全球应用最为普及的宽带无线接入技术之一，拥有良好的产业和用户基础，巨大的市场需求推动了WLAN技术的发展，大量的非授权频段也给WLAN技术提供了巨大的发展空间。

在强大的市场需求推动下，WLAN与移动通信系统逐渐走向全方位的融合，在终端方面，WLAN已成为智能手机的必备功能，智能手机支持手机流量和WLAN之间的自动切换。

在网络方面，越来越多地厂商开始提供完整地“蜂窝+WLAN”解决方案，实现了WLAN和蜂窝资源共享，不仅方便网络部署、运营、管理和维护、也可节约大量开支。

由此可见，在移动数据业务快速增长的有力推动下，WLAN与移动通信走向广泛深入地融合已是未来的趋势，也许会在5G发展中出现根本性的变化。

目前，IEEE已经启动了下一代WLAN标准“High-efficiencyWLAN”的研究，将进一步提升运营商业务能力，推动WLAN技术与蜂窝网络的融合。

3.3革命性技术

此外，我们还应当特别关注可能出现的革命性5G技术。

从蜂窝移动通信的演进路线来看，每一代演进都有革命性技术出现，从2G的GSM到3G的CDMA，再到4G的OFDM，那么，5G是否会出现新一代的革命性技术，而这种革命性技术是否需要与LTE演进采用不同的技术路线，进而产生新一代的空中接口技术，将成为我们重点关注的内容。

4、5G关键性技术

为提升其业务支撑能力,5G在无线传输技术和网络技术方面将有新突破。

在无线传输技术方面,将引入能进一步挖掘频谱效率提升潜力的技术，如先进的多址接入技术、多天线技术、编码调制技术、新的波形设计技术等;在无线网络方面,将采用更灵活、更智能的网络架构和组网技术,如采用控制与转发分离的软件定义无线网络的架构、统一的自组织网络（SON）、异构超密集部署等。

5G移动通信标志性的关键技术主要体现在超高效能的无线传输技术和高密度无线网络（highden-sitywirelessnetwork）技术。

其中基于大规模MIMO的无线传输技术将有可能使频谱效率和功率效率在4G的基础上再提升一个量级,该项技术走向实用化的主要瓶颈问题是高维度信道建模与估计以及复杂度控制。

全双工（fullduplex）技术将可能开辟新一代移动通信频谱利用的新格局。

超密集网络（ultradensenetwork,UDN）

已引起业界的广泛关注,网络协同与干扰管理将是提升高密度无线网络容量的核心关键问题。

体系结构变革将是新一代无线移动通信系统发展的主要方向.现有的扁平化SAE/LTE（systemarchitectureevolution/longtermevolution）

体系结构促进了移动通信系统与互联网的高度融合,高密度、智能化、可编程则代表了未来移动通信演进的进一步发展趋势,而内容分发网络（CDN）向核心网络的边缘部署,可有效减少网络访问路由的负荷,并显著改善移动互联网用户的业务体验。

1）超密集组网:

未来网络将进一步使现有的小区结构微型化、分布化,并通过小区间的相互协作,化干扰信号为有用信号,从而解决小区微型化和分布化所带来的干扰问题,并最大程度地提高整个网络的系统容量。

2）智能化:

未来网络将在已有SON技术的基础上,具备更为广泛的感知能力和更为强大的自优化能力,通过感知网络环境及用户业务需求,在异构环境下为用户提供最佳的服务体验.

3）可编程:

未来网络将具备软件可定义（SDN）能力,数据平面与控制平面将进一步分离,集中控制、分布控制或两者的相互结合,将是网络演进发展中需要解决的技术路线问题。

基站与路由交换等基础设施具备可编程与灵活扩展能力,以统一融合的平台适应各种复杂的及不同规模的应用场景。

4）内容分发边缘化部署:

移动终端访问的内容虽然呈海量化趋势,但大部分集中在一些热点内容和大型门户网站,在未来的5G网络中采用CDN技术将是提高网络资源利用率的重要潜在手段。

4.1无线传输技术

（1）大规模MOMI技术

多天线技术作为提高系统频谱效率和传输可靠性的有效手段,已经应用于多种无线通信系统,如3G系统、LTE、LTE-A、WLAN等。

根据信息论,天线数量越多,频谱效率和可靠性提升越明显。

尤其是,当发射天线和接收天线数量很大时,MIMO信道容量将随收发天线数中的最小值近似线性增长。

因此,采用大数量的天线,为大幅度提高系统的容量提供了一个有效的途径。

由于多天线所占空间、实现复杂度等技术条件的限制,目前的无线通信系统中,收发端配置的天线数量都不多,比如在LTE系统中最多采用了4根天线,LTE-A系统中最多采用了8根天线但由于其巨大的容量和可靠性增益,针对大天线数的MIMO系统相关技术的研究吸引了研究人员的关注,如单个小区情况下,基站配有大大超过移动台天线数量的天线的多用户MIMO系统的研究等进而,2010年,贝尔实验室的Marzetta研究了多小区、TDD（timedivisionduplexing）情况下,各基站配置无限数量天线的极端情况的多用户MIMO技术,提出了大规模MIMO（largescaleMIMO,或者称MassiveMIMO）的概念发现了一些与单小区、有限数量天线时的不同特征。

之后,众多的研究人员在此基础上研究了基站配置有限天线数量的情况.在大规模MIMO中,基站配置数量非常大（通常几十到几百根,是现有系统天线数量的1∼2个数量级以上）的天线,在同一个时频资源上同时服务若干个用户。

在天线的配置方式上,这些天线可以是集中地配置在一个基站上,形成集中式的大规模MIMO,也可以是分布式地配置在多个节点上,形成分布式的大规模MIMO。

值得一提的是,我国学者在分布式MIMO的研究一直走在国际的前列。

大规模MIMO带来的好处主要体现在以下几个方面:

第一,大规模MIMO的空间分辨率与现有MIMO相比显著增强,能深度挖掘空间维度资源,使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信,从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。

第二,大规模MIMO可将波束集中在很窄的范围内,从而大幅度降低干扰。

第三,可大幅降低发射功率,从而提高功率效率.第四,当天线数量足够大时,最简单的线性预编码和线性检测器趋于最优,并且噪声和不相关干扰都可忽略不计。

（2）基于滤波器组的多载波技术

由于在频谱效率、对抗多径衰落、低实现复杂度等方面的优势,OFDM（orthogonalfrequencydi-visionmultiplexing）技术被广泛应用于各类无线通信系统,如WiMaX、LTE和LTE-A系统的下行链路,但OFDM技术也存在很多不足之处。

比如,需要插入循环前缀以对抗多径衰落,从而导致无线资源的浪费；对载波频偏的敏感性高,具有较高的峰均比;另外,各子载波必须具有相同的带宽,各子载波之间必须保持同步,各子载波之间必须保持正交等,限制了频谱使用的灵活性。

此外,由于OFDM技术采用了方波作为基带波形,载波旁瓣较大,从而在各载波同步不能严格保证的情况下使得相邻载波之间的干扰比较严重。

在5G系统中,由于支撑高数据速率的需要,将可能需要高达1GHz的带宽。

但在某些较低的频段,难以获得连续的宽带频谱资源,而在这些频段,某些无线传输系统,如电视系统中,存在一些未被使用的频谱资源（空白频谱）.但是,这些空白频谱的位置可能是不连续的,并且可用的带宽也不一定相同,采用OFDM技术难以实现对这些可用频谱的使用。

灵活有效地利用这些空白的频谱,是5G系统设计的一个重要问题。

为了解决这些问题,寻求其他多载波实现方案引起了研究人员的关注其中,基于滤波器组的多载波（FBMC,filter-bankbasedmulticarrier）实现方案是被认为是解决以上问题的有效手段,被我国学者最早应用于国家863计划后3G试验系统中。

滤波器组技术起源于20世纪70年代,并在20世纪80年代开始受到关注,现已广泛应用于图像处理、雷达信号处理、通信信号处理等诸多领域。

在基于滤波器组的多载波技术中,发送端通过合成滤波器组来实现多载波调制,接收端通过分析滤波器组来实现多载波解调.合成滤波器组和分析滤波器组由一组并行的成员滤波器构成,其中各个成员滤波器都是由原型滤波器经载波调制而得到的调制滤波器与OFDM技术不同,FBMC中,由于原型滤波器的冲击响应和频率响应可以根据需要进行设计,各载波之间不再必须是正交的,不需要插入循环前缀；能实现各子载波带宽设置、各子载波之间的交叠程度的灵活控制,从而可灵活控制相邻子载波之间的干扰,并且便于使用一些零散的频谱资源；各子载波之间不需要同步,同步、信道估计、检测等可在各资载波上单独进行处理,因此尤其适合于难以实现各用户之间严格同步的上行链路。

但另一方面,由于各载波之间相互不正交,子载波之间存在干扰；采用非矩形波形,导致符号之间存在时域干扰,需要通过采用一些技术来进行干扰的消除。

（3）全双工技术

全双工通信技术指同时、同频进行双向通信的技术.由于在无线通信系统中,网络侧和终端侧存在固有的发射信号对接收信号的自干扰,现有的无线通信系统中,由于技术条件的限制,不能实现同时同频的双向通信,双向链路都是通过时间或频率进行区分的,对应于TDD和FDD方式.由于不能进行同时、同频双向通信,理论上浪费了一半的无线资源（频率和时间）。

由于全双工技术理论上可提高频谱利用率一倍的巨大潜力,可实现更加灵活的频谱使用,同时由于器件技术和信号处理技术的发展,同频同时的全双工技术逐渐成为研究热点,是5G系统充分挖掘无线频谱资源的一个重要方向但全双工技术同时也面临一些具有挑战性的难题.由于接收和发送信号之间的功率差异非常大,导致严重的自干扰（典型值为70dB）,因此实现全双工技术应用的首要问题是自干扰的抵消近年来,研究人员发展了各类干扰抵消技术,包括模拟端干扰抵消、对已知的干扰信号的数字端干扰抵消及它们的混合方式、利用附加的放置在特定位置的天线进行干扰抵消的技术等以及后来的一些改进技术通过这些技术的联合应用,在特定的场景下,能消除大部分的自干扰。

研究人员也开发了实验系统,通过实验来验证全双工技术的可行性。

在部分条件下达到了全双工系统理论容量的90%左右。

虽然这些实验证明了全双工技术是可行的,但这些实验系统都基本是单基站、小终端数量的,没有对大量基站和大量终端的情况进行实验验证,并且现有结果显示,全双工技术并不能在所有条件下都获得理想的性能增益。

比如,天线抵消技术中需要多个发射天线,对大带宽情况下的消除效果还不理想,并且大都只能支持单数据流工作,不能充分发挥MIMO、的能力,因此,还不能适用于MIMO系统；MIMO条件下的全双工技术与半双工技术的性能分析还大多是一些简单的、面向小天线数的仿真结果的比较,特别是对大规模MIMO条件下的性能差异还缺乏深入的理论分析需要在建立更合理的干扰模型的基础上对之进行深入系统的分析；目前,对全双工系统的容量分析大多是面向单小区、用户数比较少,并且是发射功率和传输距离比较小的情况,缺乏对多小区、大用户数等条件下的研究结果,因此在多小区大动态范围下的全双工技术中的干扰消除技术、资源分配技术、组网技术、容量分析、与MIMO技术的结合,以及大规模组网条件下的实验验证,是需要深入研究的重要问题。

4.2无线网络技术

（1）超密集异构网络技术

由于5G系统既包括新的无线传输技术,也包括现有的各种无线接入技术的后续演进,5G网络必然是多种无线接入技术,如5G,4G,LTE,UMTS（universalmobiletelecommunicationssystem）和WiFi（wirelessfidelity）等共存,既有负责基础覆盖的宏站,也有承担热点覆盖的低功率小站,如Micro,Pico,Relay和Femto等多层覆盖的多无线接入技术多层覆盖异构网络在这些数量巨大的低功率节点中,一些是运营商部署,经过规划的宏节点低功率节点；更多的可能是用户部署,没有经过规划的低功率节点,并且这些用户部署的低功率节点可能是OSG（opensubscribergroup）类型的,也可能是CSG（closedsubscribergroup）类型的,从而使得网络拓扑和特性变得极为复杂。

在超密集异构网络中,网络的密集化使得网络节点离终端更近,带来了功率效率、频谱效率的提升,大幅度提高了系统容量,以及业务在各种接入技术和各覆盖层次间分担的灵活性。

虽然超密集异构网络展示了美好的前景,由于节点之间距离的减少,将导致一些与现有系统不同的问题。

在5G网络中,可能存在同一种无线接入技术之间同频部署的干扰、不同无线接入技术之间由于共享频谱的干扰、不同覆盖层次之间的干扰,如何解决这些干扰带来的性能损伤,实现多种无线接入技术、多覆盖层次之间的共存,是一个需要深入研究的重要问题由于近邻节点传输损耗差别不大,可能存在多个强度接近的干扰源,导致更严重的干扰,使现有的面向单个干扰源的干扰协调算法不能直接适用于5G系统；由于不同业务和用户的QoS（qualityofservice）要求的不同,不同业务在网络中的分担、各类节点之间的协同策略、网络选择、基于用户需求的系统能效最低的小区激活、节能配置策略是保证系统性能的关键问题。

为了实现大规模的节点协作,需要准确、有效地发现大量的相邻节点。

由于小区边界更多、更不规则,导致更