5G 移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)綜述
蔣紅梅，伍玉霞
（桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西    桂林    541004 ）
摘　要：隨著 4G 的全球商用，5G 將發(fā)展為新一代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)，業(yè)界致力于 2020 年全面展開商用，目前該技術(shù)仍處于探索研發(fā)階段。結(jié)合國(guó)內(nèi)外通信的最新發(fā)展趨勢(shì)，簡(jiǎn)要闡述了國(guó)內(nèi) 5G 的研究進(jìn)展，重點(diǎn)論述了支撐 5G 通信的“4+1”關(guān)鍵技術(shù)，包括大規(guī)模 MIMO、新型多址、超密集組網(wǎng)、全頻段技術(shù)及全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信； 5G； 關(guān)鍵技術(shù)
中圖分類號(hào)：TN929.5                     文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A                  文章編號(hào)：1008-3545(2015)04-0001-03

1　引言
隨著用戶需求的飛速膨脹，移動(dòng)通信技術(shù)不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代，已從2G發(fā)展到3G，并且4G也進(jìn)入規(guī)模商用階段，當(dāng)前正在研究的5G（Fifth Generation，第五代移動(dòng)通信）作為新一代無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，是4G技術(shù)的延伸。與4G相比，5G在傳輸速率和資源利用率等方面將有顯著的提高，其覆蓋能量、傳輸質(zhì)量、系統(tǒng)安全保障和用戶速率體驗(yàn)也將進(jìn)一步提高。5G的實(shí)現(xiàn)，將通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與醫(yī)療、教育、物流等其他系統(tǒng)相融合，支持更多的應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互通互聯(lián)；將會(huì)滿足人們對(duì)數(shù)據(jù)流量激增的需求和提供高帶寬的上網(wǎng)應(yīng)用；將會(huì)提供更靈活可靠的網(wǎng)絡(luò)連接和更智能化的網(wǎng)絡(luò)管理來(lái)提升用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)[1]。

2　5G 研究進(jìn)展

5G已成為國(guó)內(nèi)外移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，5G的研發(fā)也在國(guó)內(nèi)外如火如荼地展開。歐盟METIS、韓國(guó)5G論壇、日本ARIB、中國(guó)IMT-2020 (5G)推進(jìn)組等組織已經(jīng)開始對(duì)5G愿景、關(guān)鍵技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化等方面進(jìn)行了前期研究。目前國(guó)外愛立信、諾基亞和三星企業(yè)，以及我國(guó)的華為、中興、大唐、移動(dòng)企業(yè)和電信研究院等單位都致力于5G的研發(fā)。我國(guó)對(duì)5G的研發(fā)最早于2012年年初，當(dāng)時(shí)成立了IMT-2020（5G）推進(jìn)組，并啟動(dòng)了5G研發(fā)項(xiàng)目。2013年5月在北京召開5G峰會(huì)，會(huì)上提出了“5G愿景展望”。 2014年5月發(fā)布第一份5G白皮書 ——《5G愿景與需求白皮書》，這標(biāo)志著5G將成為整個(gè)通信行業(yè)最熱門的話題。2015年5月對(duì)5G概念和技術(shù)框架、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及頻譜研究等方面進(jìn)行探討，同時(shí)，2015年9月召開了5G技術(shù)研討會(huì)，11月舉辦了未來(lái)5G信息通信技術(shù)國(guó)際峰會(huì)，該會(huì)宣布對(duì)5G接入網(wǎng)需求、信道模型等方面進(jìn)行前期基本研究。我國(guó)計(jì)劃于2016年啟動(dòng)性能需求研究，2017年主要征集5G候選技術(shù)提案，2018~2019年實(shí)現(xiàn)技術(shù)規(guī)范和評(píng)估方案， 2020年實(shí)現(xiàn)5G初期標(biāo)準(zhǔn)化。

3　5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于支撐5G無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)，IMT-2020推進(jìn)組提出了“4+1”關(guān)鍵技術(shù)，即“大規(guī)模MIMO、新型多址、超密集組網(wǎng)、全頻段技術(shù)”+ 全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3.1　大規(guī)模MIMO
在無(wú)線通信系統(tǒng)中，多天線技術(shù)具有提高系統(tǒng)頻譜效率和傳輸可靠性的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，頻譜效率和傳輸性能跟天線數(shù)目成正比，當(dāng)頻譜資源和天線發(fā)射功率保持不變時(shí)，發(fā)射和接收端都可以配置多根天線來(lái)成倍提高系統(tǒng)容量，這就是多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）。目前無(wú)線通信系統(tǒng)中，收發(fā)端配置的天線數(shù)量都非常少，而大規(guī)模多輸入多輸出(Large Scale / Massive MIMO) 是非常多的天線集中配置在一個(gè)基站上，可以在同一時(shí)間同一頻率（同時(shí)同頻）的資源上實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶同時(shí)無(wú)干擾通信。與當(dāng)前MIMO相比，其具有明顯的優(yōu)勢(shì)：
(1)較強(qiáng)的空間分辨率，大規(guī)模MIMO能滿足多
個(gè)用戶與單個(gè)基站在同一時(shí)頻上同時(shí)進(jìn)行通信。
(2)大規(guī)模 MIMO 可實(shí)現(xiàn)多波束的智能賦型，可使定向和波束賦形能力更強(qiáng)，將顯著提高頻譜效率、降低發(fā)射功率。

(3)基站配置天線數(shù)目較多時(shí)，線性預(yù)編碼和檢測(cè)器將達(dá)到最佳性能狀態(tài)。但目前大規(guī)模 MIMO 技術(shù)研究存在局限性：未存在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的信道模型、信號(hào)檢測(cè)和預(yù)編碼技術(shù)復(fù)雜度高、存在導(dǎo)頻污染等，這些問題需要不斷地深入研究和完善[2,3]。 3.2　新型多址
5G系統(tǒng)中選擇基于濾波器組的多載波技術(shù)（Fil-ter Bank based Multicarrier，F(xiàn)BMC）作為新型多址技術(shù)，該技術(shù)利用四維的時(shí)域/頻域/碼域/空域疊加傳輸信號(hào)來(lái)提升系統(tǒng)頻譜效率和容納更多的用戶。該技術(shù)能解決5G系統(tǒng)中所面臨的多徑干擾和通信高速率傳輸與均衡接收技術(shù)之間的問題，雖然它采用時(shí)域非矩形脈沖能有效提高通信的整體性能，但它在實(shí)際應(yīng)用中存在著缺陷�，F(xiàn)有的信道估計(jì)、同步以及快速算法等與該技術(shù)相融合，其實(shí)現(xiàn)難度將會(huì)增加，同時(shí)，由于調(diào)制濾波器與原型濾波器的設(shè)計(jì)決定了多載波的性能，并且為了滿足頻率響應(yīng)特性，需要原型濾波器的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出子信道數(shù)量。這導(dǎo)致5G系統(tǒng)中FBMC技術(shù)難以在硬件上實(shí)現(xiàn)，其中，5G的濾波器組快速算法研究是FBMC技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容[2,4,5]。
3.3　超密集組網(wǎng)

未來(lái)5G通信網(wǎng)絡(luò)將以多元化、寬帶化、智能化為發(fā)展方向。智能終端的普及、互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，將會(huì)促使5G上網(wǎng)數(shù)據(jù)流量呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。未來(lái)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將主要分布在室內(nèi)和熱點(diǎn)密集地區(qū)，而密集組網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)將達(dá)到當(dāng)前流量的1 000倍，能解決密集地區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸問題。超密集網(wǎng)絡(luò)能大幅度提高網(wǎng)絡(luò)功率和頻譜效率，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍及擴(kuò)展系統(tǒng)容量，并且業(yè)務(wù)分流時(shí)具有靈活的網(wǎng)絡(luò)部署。該技術(shù)與全頻段技術(shù)相結(jié)合將能實(shí)現(xiàn)小小區(qū)或者扇區(qū)數(shù)目超過一百個(gè)以上。

密集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架雖然在提高數(shù)據(jù)流量方面具有很大的發(fā)展前景，但是越發(fā)密集的網(wǎng)絡(luò)部署將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更復(fù)雜，小區(qū)間干擾尤其是信道干擾將嚴(yán)重制約該網(wǎng)絡(luò)性能；小區(qū)密度的增加和基站間距的減小將導(dǎo)致越區(qū)切換次數(shù)和切換失敗率顯著增加，嚴(yán)重影響用戶的正常使用。我國(guó)電信技術(shù)創(chuàng)新中心采用虛擬層技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)超密集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，利用多層虛擬網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決干擾與切換問題，該技術(shù)被IMT-2020 (5G)推進(jìn)組認(rèn)可并寫入到《5G無(wú)線技術(shù)架構(gòu)》白皮書。

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