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5g通信关键技术及发展研究
5g通信关键技术及发展研究
摘要
移动通信发展至今，从最开始的模拟语音通信发展到现在更加先进的现代技术，让客户逐步使用到更高质量的移动宽带业务。
最终用户数据速率达到每秒兆比特，用户体验正在改善。
此外，随着新移动设备的增加,通信业务不断增加,网络流量不断增加,现有的无线技术已不能满足未来通信的需要。
第五代移动通信业务，也就是现在热谈的5G移动网络在未来强烈的移动大数据发展趋势下逐步进入我们的视野，也是为了新业务的需求。
目前，国内外对5G的认识和需求已经明确。
如何整合现有技术和各种潜在的新技术,以实现5G网络成为下一个研究和开发的重点。
5G通信网络是全世界企业、各大高校以及研究院都大力关注和研究的对象。
本文介绍和总结了国内外5G的发展历程和研究进展,分析了基于虚拟化的5G网络体系结构。
本文从无线传输、无线接入和核心网三个方面介绍了5G的关键技术和最新发展。
分析了其中这些关键技术关于未来的发展导向以及其有缺点。
在本论文的编写中,掌握了文献查阅和阅读的能力，了解到了5G通信技术的现状与进展，并对今后的发展方向进行了总结与展望。
关键词：
5G；发展；关键技术；
前言
目前为止,我国移动通信网络已经逐步步入5G时代，信息科技技术在社会不断前进的脚步中飞速发展，我们享受着网络带给我们的便利，同时也不满足于此。
很快，我们现在所使用的4G网络也将被淘汰。
网络的进步意味着生活更加便捷高效，伴随着移动4G网络而到来的无线宽带时代无疑给我们的生活带来了很多便利。
那么5G网络将会带给我们什么呢？
是一个智能时代。
更加智能的5G网络其实也是基于4G移动网络的，从用户着角度来看，最大的使用感受是网络速率的提高。
它最大的改变是核心网络架构的升级更新，以及新的无线传输接入技术。
更快的运行速度是用户的首要体验，最重要的是利用率得到提高，技术也会更加智能。
挖掘新的频率资源,优化整个系统的性能,扩大其原有的范围。
本文主要从无线传输、无线接入和核心网络3个角度介绍了5G的关键技术和最新发展。
第1章绪论
1.1选题目的及意义
全世界都力争第五代移动通信技术的研究更加领先，而5G通信技术也不仅仅是在技术上的推进改良，更多的是让用户有更便捷更丰富的操作体验，这也是人们对5G的喜爱将会远大于4G的原因，也是5G的研发进展成为全球移动通信邻域争相角逐原因。
欧盟成立于2012,包括爱立信在内的29个成员国,领先的5G研发机构梅蒂斯最初投资2700万欧元,此处包含爱立信、法国电信与相关重要设施与运营商、欧洲研究组织与二十多个内部成员。
宝马,德国。
该计划的第一阶段运行了30个月,为下一代（5G）移动和无线通信系统的建立奠定了基础。
数据显示,在2013年韩国三星电子已经成功地开发了5G环境下数据接收和发送的核心技术。
这是世界上第一例。
这种新的通信技术被称为“漫游本地”。
外语缩写:
NOLA。
世界上最大的电信设备制造商深圳华为加拿大和英国未来5年持续投资6亿美元。
这是一个巨大的机会。
而对于5G发展来说也是一个很大的挑战。
5G通信技术最终会给网络带来的变化就是将网络容量增加到了1000倍以上,对用户的改变就是将用户数据速率提高到了10-100倍,峰值传输速率可达10GbPs（4G：
100MbPS）,同时频谱效率提高5-10倍。
提高5-10倍的端到端时延,将网络综合能效提高到了1000倍。
.
在不久的将来，我们即将使用的5G通信手机，它的下载速度可达3.6Gbps每秒。
使用这种技术下载超高清电影文件只需要一秒钟。
间,3D电影和游戏具有较大的容量,也可以实现第二关。
比LTE（通用术语“准4G”）75兆比特快数百倍
目前,5G的研究工作已在全世界范围内开展。
2013年10月,中国启动了国家863计划“第五代移动通信系统研发”项目。
我们在2020之前系统地研究了5G移动通信体系结构、无线网络、无线传输、大规模天线等关键技术,主要是研究对这些关键技术的开发和利用,初步完成其性能质量测评。
今年的试验和试验投资1亿6000万元。
目前,除了国内55家通信企业和学术研究机构外,该项目还首次吸收了三星、诺基亚、爱立信等多家国际企业作为研发合作伙伴。
5G移动网络是移动通信领域的新秀，它的研究进展是全世界重点关注的。
移动通信的发展至今也经历了好几代的更新发展。
从我们熟知的大哥大，也就是第一代模拟蜂窝移动通信,它只能提供简单的语音服务。
然后到第二代数字移动通信，再到第三代移动多媒体通信也就是3G网络，而移动通信发展越来越快速，在3G网络刚刚普及的时候,第四代移动通信也很快就进入我们的生活。
随着数据流的不断增长和智能终端的普及,4G已经不能满足网络在容量、速度和频谱等方面的需求。
再这种大需求的压迫下，第五代移动通信网络（5G）也就逐渐诞生了。
移动网络发展至此，其目的就是会比4G网络有更加高效的频谱利用率,在用户体验上其速率一定是比4G网络更快的。
而且在4G网络基础上，网络中的缺点也会有所改善。
比如我们在4G中会遇到的传输延迟情况,覆盖不全的问题,系统的安全问题，这些都将得到显著改善。
5G移动通信将与4G的无线通信技术是紧密结合的,它的不同之处就是智能网络将会无处不在,这样也才可以以满足发展需要的移动互联网业务在未来10年增长到1000倍甚至有更大的突破。
因此,我们需要做的研究是明确5G的业务和关键技术指标,并指导5G技术发展和系统设计的方向。
5G技术及系统的发展方向设计。
1.2我国网络现状与5G发展
5G是移动通信领域的新秀，它的发展是全球通信邻域都在角逐的。
2欧盟于2013年初在第七框架项目中启动了关于2020年信息社会的移动和无线通信服务的5G研发项目,韩国和中国分别建立了5G技术和IMT-2020（IMT-202）推进组和我国863计划。
在2013年6月和2014年3月,我们启动了5G重大项目的第一个和两个研究和开发项目。
目前,全世界的通信领域都在对5G的发展走向，关键技术的运行及指标进行研究,并且已经在2015年的世界无线电会议上达成了共识,开始实行PR标准化。
在过去的20年中,我国陆续推出了关于3G和4G移动的重大科研项目,促进国家中长期发展规划"的一个新的宽带无线移动通信网"项目生成的实施,意味着中国的移动通信技术水平也将会有一定的提高,中国的移动通信技术将会与产业产生跨越式的发展。
在全球的移动通信市场中，所占份额比较大的就是华为和中兴。
中国的TD技术也很荣幸地被选定为国际标准规范,移动通信产业也成在中国国际竞争力中形成一定的规模。
也是我国高科技产业之一。
5G移动通信的发展是全球移动通信领域新一轮技术竞争的开始,通过早期的布局和开放的R&D环境,我国努力在5G未来技术发展和业务竞争中可以取得更加超前的优势。
2013年初,我国因为政府部门大力支持,开始对5G的主要技术发展方向和使能技术进行研究,建立了IMT-2020推进小组对5T-Mobile通信进行研究,确定5G的发展了前景、业务推动计划。
并在5G技术发展的需求下,建立关于5G移动通信技术的框架,与国际各方合作进行研究以及生产,对国际5G研发积极投入。
在2015后,我国有了扎实的技术基础来参与5G移动通信技术标准建设。
“新一代宽带无线移动通信”是推动LTE产业化的重大工程。
国家863也在2013年6月计划启动了有关5G移动通信系统的重大项目。
其总体目标是满足2020移动通信的要求,研究5G网络体系结构、无线网络、无线传输、新天线和射频等关键技术,以及新频谱的开发和利用,并进行实施了无线传输技术，对性能进行了评估以及设计出了原型系统,总业务速率达到了10Gbps。
空中接口的频谱和功率效率也达到了一定高度，是4G的10倍,这个项目的主要研究任务包括了：
5G有关无线网络体系结构的研究，5G无线传输中的关键技术的开发，对STEM总体技术进行研究，对5G移动通信技术进行评估以及测试验证技术实施的研究。
主要研究超蜂窝无线网络技术，高密度和高通量等关键的核心技术,例如超高速率的大规模协作天线和新的超高效射频T无线电传输技术。
在针对解决干扰消除问题和基于超小小区和单位表面的网络协作和问题,具体办法是提高了25倍的产品系统容量,无线传输技术实验也因为密钥的实现得以进行。
无线传输和功率效率之所以提高了一个数量级,是因为基于对大规模天线的高维信道建模和复杂度控制以及评估。
实现了高频段等新频谱源的无线传输和网络化的关键技术。
也使得在通信系统中扩展了大概4倍的总可用频谱资源。
南京东南大学以及电信科学技术研究分别负责了7个主题中的型协作和高效无线传输技术的研究和开发。
北京邮电大学、中国华为公司和北京清华大学则负责高密度、高吞吐量以及超蜂窝无线网络技术的深入研究和开发。
电信研究所则领导人体技术的研究,上海无线通信研究中心主要负责技术评估的研究和测试验证技术的开发。
也需要进行5G移动通信863计划的推广，所以本项目组还设立了5G技术通用专家组，主要负责实施和协调技术的研发,以及规划5G技术的框架和顶部设计。
IMT-2020推进包括5G技术频谱研究组在内的对应组,业务需求研究组,以及为技术标准之前的技术标准建立,还成立了知识产权工作组和研究小组等等；我国不断扩大在移动通信邻域的国际影响力探索5G关键技术，构建有关5G的技术技术创新发展联盟，创建有关5G的新工业模式以及新途径，促进5G在论坛上的国际交流，建立良好的研究合作关系。
1.3论文内容与结构
对于论文的研究和撰写，本人在导师的指导下，阅读了大量的参考资料，做了一定量的研究工作具体阐述如下：
由于5G网络逐步步入我们的生活，意味着智能时代的到来，而5G网络不仅是速率的提升，我们很有必要对它有一定的了解，熟悉了解5G移动网络的关键技术并对其进行研究，将会使我们对即将到来的5G时代更加清晰，也会更加期待。
在此次论文中的编写中，通过收集大量有关5G资料，并对其进行分析，收归纳总结、一定研究后，总结出自己对5G关键技术的了解，以及对5G移动通信网络的展望。
根据内容，本论文分为以下章节：
第一章“绪论”：
回顾全球移动通信的发展，结合我国5G网络的现状和需求，提出5G移动通信发展及关键技术的研究意义。
第二章“5G核心网”：
介绍了5G核心网络架构的发展、特征、接口及协议，重点分析了两大技术：
C-RAN技术和D2D通信技术。
第三章“5G无线传输技术”：
对大规模天线、全双工、5毫米波传输三大技术进行分析研究。
第四章“5G无线接入技术”：
该章节介绍了多址接入技术和TDD技术的发展，并对非正交多址接入技术和动态TDD技术进行分析。
第2章5G核心网
2.15G核心网发展
2.1.1EPC核心网络体系架构（2008年,R8）
2-1EPC核心网架构
EPC核心网架构：
随着移动通信技术和产业的发展，依据此架构上进行开发的EPC设备，包括MME、SGW、PGW、PCRF、HSS、CG逐步投入商用，但没有进行同2/3G设备的融合。
3GPP于2005年开始制定3G移动系统演进标准，定义了支持无线接入网（LTE）LTE演进的分组核心网EPC体系结构，支持高速移动数据业务。
该体系结构并未包含在电路域内。
LTE无线网络只接入EPC核心网，为LTE终端供应外部数据网与IMS核心网的数据业务接入，提供专业数据与语音服务[12]。
LTEXR8的第一个版本是在2009年8月由3GPP发布的，目前逐渐提高到R10。
伴随LTE/EPC技术标准与设施的持续健全，我国大部分运营商开始筹划LTE测试与商用网络，然而有关要求也在持续健全中，此技术并未体现出商业化。
EPC核心网使用基于2G/3G核心网的分组域控制与负载分离的结构。
然而在LTE网络创建早期,尤其是测试网络时期,为了检验MA。
对EPC科技与产品的TUREY，且防止对目前网络的负面作用,并将LTE终端视为初始用户使用的单一模式。
在等待终端时,运营商一般单独进行筹划。
目前商业网络不断筹划，lte网络规模延伸与多模式单终端的应用。
运营商需要考虑的是2G/3G核心网大的运营商,保持独立的组网模式或与之相结合。
2G/3G核心网分组域。
EPC核心网单元主要包含移动管理实体（EPC）、家庭用户服务器（EPC）、业务网关（SGW）和用于计费的CG设备等[10]。
sgw和pgw通常设置为epc-gw。
当使用独立的网络模式时,根据网络覆盖率新建和部署这些网络单元。
MME、HSS和DNS通常是集中式设置,EPC-GW集中或分布在具有业务需求的本地网络中。
随着移动通信技术和工业的发展，LTE/EPC设备将逐步投入商业应用。
在演进的核心网分组域应重点跟踪研究的课题为：
一是EPC与2G/3G分组域融合组网研究；二是SGSN/MME Pool组网模式研究。
2.1.2NB-IOT核心网架构（2016年，R14）
2-2NB-IOT核心网架构
NB-IOT核心网架构：
网络用户界面的功能可以部署在核心网（中央数据中心）或接入网（边缘数据中心）中，最终可以进行分布式部署。
2015年9月,全球电信行业达成了物联网低功率广域覆盖（LPWA）规则形成共识。
NB-IoT标准随之出现。
目前Nb-物联网马上结束测试，开启商业化运作，行业内专家对其格外重视，相关研究不断增多。
NB-IOT特点大致表现为以下几点：
①频谱窄：
200kHz；②终端传输窄带信号，提升信号功率谱密度以及综合覆盖增益，提升频谱使用率；终端发射窄带信号提高信号功率谱密度与覆盖增益，此外进一步提高频谱使用效率；③利用反复传输一样的数据包，也能得到较高的覆盖增益；④另外，此科技可以降低终端激活率以及简化基带。
此外还能帮助终端降低激活比，简化基带。
⑤Nb-IOT的四大功能：
覆盖范围广，连接量大，功耗低，芯片成本低.⑥基于相当蜂窝网络科技的物联网，利用对目前网络的改善和发展，促进产业的稳定发展，GUL网络变成重要形式。
其优点是：
1、强链接：
NBIOT能提供比在相同基站中现有无线技术更多的接入。
单个扇区能支持十万个连接，以及具备低延迟灵敏度、超低费用、低设施功率与科学的网络架构。
例如，它仅限于带宽。
运营商只向家中的每一个路由器开放十几个接入点，在家庭中一般会出现移动电话、电脑与平板。
此后，可以确保整个家庭的智能化，需要数百个传感器设备接入网络已经成为一个棘手的问题。
Nb-IoT很容易满足未来需要在法庭上连接的大量设备。
2、高覆盖率：
NBIOT具有较强的室内覆盖能力，LTE增益为20dB。
覆盖率增加了100倍。
它不只可以满足当前农村区域的现实需求,此外可以使用在公司、车库和人孔盖。
例如,监控井盖,以往GPRS的方式需要延长天线。
交通很容易被破坏，而NB-物联网如果部署得当，就能解决这个问题.
3、低功耗低功耗是物联网应用的一个重要指标，特别是对于某些无法正常替代的设备和场合，例如在偏远地区的高寒荒野中，使用人工神经网络（ANN）是一个重要的指标。
传感监测设施,其无法像智能手机那样每天充电,电池使用时间是最关键的部分。
NBIOT主要从事小数据与低速率的使用，所以NBIOT设施的损耗并不高，并且它的耐用性比过去几个月要长得多。
增加到几年。
4、低成本:
与Lora相比，NBIOT基本不需要重建网络射频和天线。
以中国移动为例,900MHz中有一个宽带,只需要清除2G频带的一部分,能和LTE、NBIOT共同筹划。
低速、低损耗与低带宽在一定程度上减少了NBIOT芯片与模块的费用。
预期售价低于五美元。
2.1.35G核心网络体系架构（2018年，R15）
2-35G核心网架构
5G核心网架构：
基于云本地微业务体系结构的设计原则，采用模块化和软件相结合的方法构建了5G核心网，有效地实现了不同业务类型的网络切片。
5G核心网体系结构由三项关键技术组成：
SBA、CUPS和网络切片。
SBA（ServiceBasedArchitecture），即基于服务的架构。
它基于云本地架构设计，借鉴“微服务”概念的IT领域。
众所周知，传统的网络元件是一个紧密耦合的黑匣子设计，NFV（NetworkFunctionVirtualization）将网络功能软件与黑匣子设备分开，但解耦的软件仍然是一个“大”的单一结构。
它需要进一步分解为细粒度的模块化组件，并通过开放的API接口进行集成，以增强应用程序开发的整体灵活性和灵活性。
为此，业界提出了基于CloudNative的设计原则。
Cloud原住民的使命是改变软件在世界各地的构建方式。
它由一个微服务体系结构、一个DevOps和一个由容器表示的敏捷基础结构组成。
目标是实现交付的弹性、可重复性和可靠性。
微服务是将单片业务分成几个粒度较小的微业务.微服务通过api相互交互，每个微服务都是独立于其他服务部署、升级和扩展的。
可在不影响客户使用的情况下频繁更新正在使用的应用。
正是基于这种设计思想，将传统的网络元素转换为网络功能，然后将NF分解为多个网络功能服务。
SBA=网络功能服务+基于服务的接口。
网络功能可以由多个模块化的“网络功能服务”组成，可以通过“基于服务的接口”来演示。
因此“网络功能服务”可以被授权的NF灵活使用。
NRFNNFRepository函数NF（NFRepositoryFunctionNF）支持网络功能服务注册、状态监控等功能，实现了网络功能服务的自动管理、选择和扩展。
CUPS（ControlandUserPlaneSeparation），即控制与用户面分离。
本文的目的是消除网络用户界面功能的“集中化”，使其能够灵活地部署在核心网（中心数据中心）或接入网（边缘数据中心）中，最终实现分布式部署[6]。
事实上，核心网一直沿着控制面和用户面分离的方向发展。
例如，通过直接隧道技术将控制面和用户面从R7中分离出来，在3GRNC和GGSN之间建立一个直接连接的用户面隧道。
并且在RNC和GGSN之间直接在SGSN和GGSN之间传输用户表面数据业务。
在R8,出现一个纯信号节点,如MME。
MME的主要功能是支持NAS（非访问层）信令及其安全性、跟踪区域（TAA）列表的管理、PGW和SGW的选择、交叉MME交换机时MME的选择、SGSN的选择、用户身份验证、漫游控制和内核。
。
针对不同接入网对2G/3G接入系统的切换过程进行了研究。
心节点（S3节点结束）和ECMYIDLE中的UE可达性管理（包括寻呼重放控制和执行）之间的移动性管理。
刚好是4.5G和5G的时间。
这一分离的趋势更加彻底，也更加必要。
主要原因之一是满足了5G网络毫秒延迟的KPI。
光纤传播速度为200km/ms，数据要在相距几百公里以上的终端和核心网之间来回传送，显然是无法满足5G毫秒级时延的。
物理距离受限，这是硬伤。
因此，在接入网侧（边缘数据中心）进行内容下沉和分布式部署，使其更接近用户，减少时延和网络回载。
网络切片，由于5G服务的多样性，包括汽车联网、大规模物联网、工业自动化、远程医疗、VR/AR等。
这些服务对网络的要求是不一样的，比如工业自动化要求低时延、高可靠但对数据速率要求不高；高清晰度视频不需要很低的延迟，但需要超高速的速度。
一些大规模物联网不需要切换，部分移动性管理对之而言是信令浪费等等，为此5G要像一把瑞士军刀一样，多功能满足差异化的网络服务。
因此，我们将把网络分成多个虚拟子网和孤立子网，分别处理不同的服务。
当然，这么灵活的切片工作岂是传统大块头的黑盒设备能担当的，自然要虚拟化、软件化，为了实现业务应用的柔性装配，进一步对网络功能进行细粒度模块化。
2.25G核心网的主要特征
2.2.1网络设备虚拟化
虚拟化是指物理CPU、内存、网卡等计算机资源通过MacOS定义的方法生成虚拟CPU内存，网卡提供不同的客户端。
虚拟化该技术在同一物理服务器上实现多个不同的操作系统,它们共享底层物理硬件和不同虚拟机。
无线网络虚拟化的好处是多方面的，最重要的是支持服务的快速部署，降低网络建设的成本和复杂性，满足未来业务差异化和定制的需要。
提升运营商竞争力,采用通用硬件平台通过虚拟化技术实现软硬件解耦,使得网络具有灵活的可扩展性、开放性和演进能力。
RAN虚拟化是实现5G移动网络端到端虚拟化的重要环节。
通过用户无线接入网/核心网服务平台的端到端虚拟化，创建虚拟多个虚拟网络，实现资源共享和隔离。
提供给虚拟操作员/服务提供者。
RAN虚拟化是端到端网络切片的重要组成部分.RAN虚拟化有利于新业务开发验证虚拟化可以将资源虚拟为不同的切片,每个切片实现了资源的共享与隔离,因此，可以在现有的网络上开发和试验新的业务，这不会影响现有的网络服务。
此外,作为未来网络架可或缺的无线接入技术,通过虚拟化网络中进行规模验证实验,缩短开发验证周期，加快网络演进步骤，同时不影响当前网络运行。
2.2.2服务化架构SBA
SBA:
基于服务的体系结构是5G网络的基础设施。
也是第五代移动通信系统的重要特征，结合移动核心网的网络的特点和技术发展趋势，将主要功能分类成可重用的众多“服务”。
彼此之间采用轻量化接口通信。
主要目标是确保5G系统的效率化、软件化、开放化。
SBA的本质是按照“自包含、可重用、独立管理”三原则，将网络功能定义为若干个可被灵活调用的“服务”模块。
在此基础上，运营商可以根据业务需求灵活定制网络。
SBA网络架构具备三大特征：
①松耦合的微服务；②轻量高效的服务调用接口；③自动化、智能化的服务管理框架。
在SBA中，网络功能间的交互由“服务调用实现，每个网络功能对外呈现通用的服务化接口，可被授权的网络功能或服务调用。
而传统2G、3G、4G网络架构采用的是“点对点”的架构，网元和网元之间的接口需预先定义和配置，且定义的接口只能用于特定的两类网元间使用，灵活性不强。
3GPP在Release15选定了SBA接口的协议实现组合：
TCP、HTTP/2、JSON、Restful、OpenAPI 3.0。
这种协议设计带来诸多优点：
便于采用新的互联网技术、实现快速部署、面向连续的集成和发布新的网络服务、便于运营商自有或第三方业务开发。
SBA的协议也将持续优化，如HTTP/2 承载于IETF QUIC/UDP、采用二进制编码方法（如CBOR）等是后续演进的可能的技术方向。
2.2.3移动边缘计算MEC
从现有移动网络的角度出发，通过移动接入网、核心网、负载网、内容叠加网、业务平台等实现用户终端与业务平台之间的数据流。
在面向未来新的业务场景,特别是URLLC场景,此种刚性网络架构引入的端到端的时延,不利于URLLC场景的实施和此场景下的用户体验,而且也对网络带宽,特别是汇聚层和骨干层的网络带宽带来很大的压力,导致流量增长与网络带宽的失衡。
移动边缘计算（MEC）技术是为了在TD-LTE无线网络侧增加计算、存储和处理功能，并构建一个开放的嵌入式应用平台[13]。
通过开放的无线API实现无线网络与业务服务器之间的信息交换，实现了TD-LTE无线网络WI的集成。
服务，为行业提供个性化和差异化服务，提高TD-LTE网络的利用率。
MeCC提供移动用户附近的信息技术服务环境和云计算能力,并将内容分发推送到用户端（如基站）,并使应用、服务和内容在分布式环境中部署,以便可以更好地支持5G网络中低延迟和带宽的业务需求。
在5G网络架构中图2-4，UPF可以提供分流功能，PCF实现分流策略的控制。
MEC服务需要的分流规则，通过接口告知PCF，PCF将分流策略配置给SMF，再由SMF发送给基站和UPF，最终由UPF实现分流功能。
比如：
AR/VR/Vehicle网络服务允许在接入云中部署UPF和MEC。
在此融合方案下，基站网元CU-U，CU-C，核心网网元UPF，业务服务器EC组成的uRLLC场景网络切片，可以描述成如下NFV管理模型：
CU-C和CU-U各自抽象成一个VNF；核心网网元UPF抽象成一个VNF；不同的业务EC抽象成独立的VNF；不同的VNF之间使用C-RAN网络公网IP地址进行通信。
2-45G网络架构
MEC的典型应用：
升级会员 