5G通信关键技术解密.docx

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5G通信关键技术解密

5G的关键技术

无线接入部分

1.大规模MIMO技术

MIMO技术将传统的时域、频域、码域三维扩展为了时域、频域、码域、空域四维，新增纬度极大的提高了数据传输速率。

随着天线能力和芯片处理能力的增强，目前MIMO技术从2*2MIMO发展为了8*8MIMO，从单用户MIMO发展为了多用户MIMO和协作MIMO。

目前MIMO技术的新进展包括三个方面：

从无源到有源，从二维（2D）到三维（3D），从高阶MIMO到大规模阵列。

有源天线系统（AAS）在天线系统中集成射频电路功能，从而提高能量效率，降低系统的功耗；提高波束赋行能力，进一步提高系统的容量性能；降低站址维护和租赁费用：

3DMIMO支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，结合高频段毫米波技术，将进一步改善无线信号覆盖性能。

大规模阵列MIMO提供了更强的定向能力和赋形能力：

多维度的海量MIMO技术，将显著提高频谱效率，降低发射功率，实现绿色节能，提升覆盖能力，而如今大规模MIMO仍旧面临一些问题，如大规模天线信道测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、码本及反馈机制、天线的规模尺寸、实际工程安装和使用场景等问题，这些问题的探讨和成果会成为未来5G的重要发展方向。

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MIMO技术已经广泛应用于WIFI、LTE等。

理论上，天线越多，频谱效率和传输可靠性就越高。

大规模MIMO技术可以由一些并不昂贵的低功耗的天线组件来实现，为实现在高频段上进行移动通信提供了广阔的前景，它可以成倍提升无线频谱效率，增强网络覆盖和系统容量，帮助运营商最大限度利用已有站址和频谱资源。

我们以一个20平方厘米的天线物理平面为例，如果这些天线以半波长的间距排列在一个个方格中，则：

如果工作频段为3.5GHz，就可部署16副天线；如工作频段为10GHz，就可部署169根天线。

。

。

。

。

3D-MIMO技术在原有的MIMO基础上增加了垂直维度，使得波束在空间上三维赋型，可避免了相互之间的干扰。

配合大规模MIMO，可实现多方向波束赋型。

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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[4].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[5].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[6],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[7].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[8_10].

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[7],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.

近两年针对大规模MIMO技术的研究工作主要集中在信道模型、容量和传输技术性能分析、预编码技术、信道估计与信号检测技术等方面[1114],但还存在一些问题:

由于理论建模和实测模型工作较少,还没有被广泛认可的信道模型;由于需要利用信道互易性减少信道状态信息获取的开销,目前的传输方案大都假设采用TDD系统,用户都是单天线的,并且其数量远小于基站天线数量.导频数量随用户数量线性增加,开销较大,信号检测和预编码都需要高维矩阵运算,复杂度高,并且由于需要利用上下行信道的互易性,难以适应高速移动场景和FDD（frequencydivisionduplexing）系统;在分析信道容量及传输方案的性能时,大都假设独立同分布信道,从而认为导频污染是大规模MIMO的瓶颈问题,使得分析结果存在明显的局限性,等等.因此,为了充分挖掘大规模MIMO的潜在技术优势,需要深入研究符合实际应用场景的信道模型,分析其对信道容量的影响,并在实际信道模型、适度的导频开销、可接受的实现复杂度下,分析其可达的频谱效率、功率效率,并研究最优的无线传输方法、信道信息获取方法、多用户共享空间无线资源的联合资源调配方法.

针对以上问题的研究,存在诸多的挑战,但随着研究的深入,大规模MIMO在5G中的应用被寄予了厚望[15],可以预计,大规模MIMO技术将成为5G区别于现有系统的核心技术之一.

2.同时同频全双工

同时同频全双工技术是指在相同的频谱上，通信的双方同时发送和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，从理论上可以提高空口频谱效率1倍。

全双工技术能够突破传统FDD和TDD方式的频谱资源使用限制。

然而，全双工意味着干扰的产生，对干扰消除技术提出了极大的挑战，同时还存在相邻小区

同频干扰问题。

在多天线及组网场景下，全双工技术的应用难度更大。

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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[31_34].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[35].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[36;37],以及后来的一些改进技术[38].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[37;39],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[40;41],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.

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3.基于滤波器组的多载波技术FBMC

在OFDM系统中，各个子载波在时域相互正交，它们的频谱相互重叠，因而具有较高的频谱利用率。

OFDM技术一般应用在无线系统的数据传输中，在OFDM系统中，由于无线信道的多径效应，从而使符号间产生干扰。

为了消除符号问干扰（ISI），在符号间插入保护间隔。

插入保护间隔的一般方法是符号间置零，即发送第一个符号后停留一段时间（不发送任何信息），接下来再发送第二个符号。

在OFDM系统中，这样虽然减弱或消除了符号间干扰，由于破坏了子载波间的正交性，从而导致了子载波之间的干扰（ICI）。

因此，这种方法在OFDM系统中不能采用。

在OFDM系统中，为了既可以消除ISI，又可以消除ICI，通常保护间隔是由CP（CyclePrefix，循环前缀来）充当。

CP是系统开销，不传输有效数据,从而降低了频谱效率。

而FBMC利用一组不交叠的带限子载波实现多载波传输，FMC对于频偏引起的载波间干扰非常小，不需要CP（循环前缀），较大的提高了频率效率。

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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[16_25].其中,基于滤波器组的多载波（FBMC,_lter-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[16].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[16].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.FBMC技术中,多载波性能取决于原型滤波器的设计和调制滤波器的设计,而为了满足特定的频率响应特性的要求,要求原型滤波器的长度远远大于子信道的数量,实现复杂度高,不利于硬件实现.因此,发展符合5G要求的滤波器组的快速实现算法是FBMC技术重要的研究内容[30].

4.终端之间直接通信（D2D）

传统的蜂窝通信系统的组网方式是以基站为中心实现小区覆盖，而基站之间通过有线技术连接到核心网，所有的通信必须通过核心网进行数据交换。

随着无线多媒体业务不断增多，传统的业务提供方式已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。

D2D技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信，拓展网络连接和接入方式。

由于短距离直接通信，信道质量高，D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗;通过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用;支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。

目前，D2D采用广播、组播和单播技术方案，未来将发展其增强技术，包括基于D2D的中继技术、多天线技术和联合编码技术等。

然而D2D通信仍有一些问题尚不明朗，需要业界继续思考和探索，包括：

Ø运营商的商业模式：

如何合理地对终端直通进行收费；如何有效控制网络质量；如何合法监听，保障信息安全？

Ø终端用户的消费心理：

如何保证自身的隐私；如何激励用户做中继终端使用？

Ø与已有技术的差异化：

与WiFiDirect、Bluetooth和一些集群业务的差异化如何体现？

Ø终端的能耗的问题：

海量数据中继和传输的过程中电池电源的消耗情况？

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5.非正交多址接入技术（Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA）

我们知道3G采用直接序列码分多址（DirectSequenceCDMA，DS-CDMA）技术，手机接收端使用Rake接收器，由于其非正交特性，就得使用快速功率控制（Fasttransmissionpowercontrol，TPC）来解决手机和小区之间的远-近问题。

而4G网络则采用正交频分多址（OFDM）技术，OFDM不但可以克服多径干扰问题，而且和MIMO技术配合，极大的提高了数据速率。

由于多用户正交，手机和小区之间就不存在远-近问题，快速功率控制就被舍弃，而采用AMC（自适应编码）的方法来实现链路自适应。

NOMA希望实现的是，重拾3G时代的非正交多用户复用原理，并将之融合于现在的4GOFDM技术之中。

从2G，3G到4G,多用户复用技术无非就是在时域、频域、码域上做文章，而NOMA在OFDM的基础上增加了一个维度——功率域。

新增这个功率域的目的是，利用每个用户不同的路径损耗来实现多用户复用。

实现多用户在功率域的复用，需要在接收端加装一个SIC（持续干扰消除），通过这个干扰消除器，加上信道编码（如Turbocode或低密度奇偶校验码（LDPC）等），就可以在接收端区分出不同用户的信号。

NOMA可以利用不同的路径损耗的差异来对多路发射信号进行叠加，从而提高信号增益。

它能够让同一小区覆盖范围的所有移动设备都能获得最大的可接入带宽，可以解决由于大规模连接带来的网络挑战。

NOMA的另一优点是，无需知道每个信道的CSI（信道状态信息），从而有望在高速移动场景下获得更好的性能，并能组建更好的移动节点回程链路。

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6.毫米波（millimeterwaves，mm-Waves）

目前，移动通信工作频段主要集中在3GHz以下，这使得频谱资源十分拥挤，为了寻找更丰富的频谱资源，人们开始向高频段（如毫米波、厘米波频段）进军。

60GHz早期用于军方卫星间保密通信，由于其频谱非常高，频带宽广，因此在短距离应用时，抗干扰强，安全性高。

2001年美国FCC开放57G到64G免费频段商用，之后全球积极响应，目前的全球共有4个频段，9GHz的可用资源。

分析60GHz频段，优劣势一目了然，优势有：

Ø有史以来全球统一的最大的免费带宽；

Ø信道干净，抗干扰强，频谱复用度高；

Ø天线和设备小型化、较高的天线增益。

同时，其劣势也是不容忽视的：

Ø最大工作距离不超过10米；

Ø其绕射、折射能力差，受天气影响大，不能穿墙，只适合同房间内传输；

Ø毫米波芯片设计挑战巨大；

Ø量产后封装及测试仍不完善。

60GHz的使用必须在特定的场景下，需要配合其他的通信技术共同使用，如何为其寻找最适合的搭档和土壤，是相关工作者亟待解决的问题。

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什么叫毫米波？

频率30GHz到300GHz,波长范围10到1毫米。

由于足够量的可用带宽，较高的天线增益，毫米波技术可以支持超高速的传输率，且波束窄，灵活可控，可以连接大量设备。

以下图为例：

蓝色手机处于4G小区覆盖边缘，信号较差，且有建筑物（房子）阻挡，此时，就可以通过毫米波传输，绕过建筑物阻挡，实现高速传输。

同样，粉色手机同样可以使用毫米波实现与4G小区的连接，且不会产生干扰。

当然，由于绿色手机距离4G小区较近，可以直接和4G小区连接。

无线网络部分

1.超密集异构网络技术

立体分层网络（HetNet）是指，在宏蜂窝网络层中布放大量微蜂窝（Microcell）、微微蜂窝（Picocell）、毫微微蜂窝（Femtocell）等接入点，来满足数据容量增长要求。

到了5G时代，更多的物-物连接接入网络，HetNet的密度将会大大增加。

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传统的网络结构为同构网络，使用相同的无线传输制式，使用同一的基站类型，网络拓扑结构规则，提供相同的覆盖，提供相似的业务和服务。

随着用户的数量增多以及带宽需求激增这种网络将会面临瓶颈。

更高的容量和覆盖需求，促使网络从水平的蜂窝结构网络向立体分层的异构网络转变。

异构网络，主要是指在宏蜂窝覆盖小区中放置低功率节点（LowerPowerNode，LPN），如微蜂窝（MicroCell）、皮蜂窝（PicoCell）、飞蜂窝（FemtoCell）、Relay等，由不同类型、不同大小的小区构成“多样化的设备形态、差异化的覆盖方案、多频段组网方式”的分层立体网络。

引入异构网络的主要目的是增强覆盖（补盲）、增加网络容量（补热）、实现话务分担与均衡。

异构网络已经有较好的产业基础，一些理念和简单的异构网络也已经在现网中部署，效果显著。

然而，愈发密集的网络部署和愈发复杂的网络拓扑，将带来干扰问题，小区间干扰会成为制约系统容量增长的主要因素，极大降低了网络能效。

干扰消除、小区快速发现、密集小区间协作、基于终端能力提升的移动性增强方案等，都是目前异构网络方面的研究热点。

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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（wireless_delity）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[42].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.根据统计,在1950年至2000年的50年间,相对于语音编码技术、MAC和调制技术的改进带来的不到10倍的频谱效率的提升和采用更宽的带宽带来的传输速率的几十倍的提升,由于小区半径的缩小从而频谱资源的空间复用带来的频谱效率提升的增益达到2700倍以上[43].因此,减小小区半径,提高频谱资源的空间复用率,以提高单位面积的传输能力,是保证未来支持1000倍业务量增长的核心技术.以往的无线通信系统中,减小小区半径是通过小区分裂的方式完成的.但随着小区覆盖范围的变小,以及最优的站点位置往往不能得到,进一步的小区分裂难以进行,只能通过增加低功率节点数量的方式提升系统容量,这就意味着站点部署密度的增加.根据预测,未来无线网络中,在宏站的覆盖区域中,各种无线传输技术的各类低功率节点