5G移动通信发展趋势及关键技术23252.pdf
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1、5G 移动通信发展趋势及关键技术 摘 要:第 5 代移动通信系统(5G)是面向 2020 年之后的新一代移动通信系统,其技术发展尚处于探索阶段。结合国内外移动通信发展的最新趋势,对 5G 移动通信发展的基本需求、技术特点与可能发展途径进行了展望,并分无线传输和无线网络两个部分,重点论述了富有发展前景的 7 项 5G 移动通信关键技术,包括大规模天线阵列、基于滤波器组的多载波技术、全双工复用、超密集网络、自组织网络、软件定义网络及内容分发网络。本文还概括性地介绍了国内 5G 移动通信的相关研发活动及其近期发展目标.关键词:5G 关键技术;发展趋势;无线传输技术;无线网络技术 1 概述与总体趋势
2、5G 是面向 2020 年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统。根据移动通信的发展规律,5G 将具有超高的频谱利用率和能效,在传输速率和资源利用率等方面较 4G 移动通信提高一个量级或更高,其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高。5G 移动通信将与其他无线移动通信技术密切结合,构成新一代无所不在的移动信息网络,满足未来 10 年移动互联网流量增加 1000 倍的发展需求。5G 移动通信系统的应用领域也将进一步扩展,对海量传感设备及机器与机器(M2M)通信的支撑能力将成为系统设计的重要指标之一。未来 5G 系统还须具备充分的灵活性,具有网络自感知、自调整等智能化能力
3、,以应对未来移动信息社会难以预计的快速变化。5G 已经成为国内外移动通信领域的研究热点。2013 年初欧盟在第 7 框架计划启动了面向 5G 研发的 METIS(mobile and wireless communications enablers for the 2020 information society)项目,由包括我国华为公司等 29 个参加方共同承担;韩国和中国分别成立了 5G 技术论坛和IMT-2020(5G)推进组,我国 863 计划也分别于 2013 年 6 月和 2014 年 3 月启动了 5G 重大项目一期和二期研发课题。目前,世界各国正就 5G 的发展愿景、应用需求、
4、候选频段、关键技术指标及使能技术进行广泛的研讨,力求在 2016 年后启动有关标准化进程。2 5G 移动通信若干关键技术 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的突破。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(high den-sity wireless n
5、etwork)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(full duplex)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(ultra dense network,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(systemarchitecture evolution/long term evolution)体系结
6、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
7、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。2.1 无线传输技术 2.1.1 大规模 MIMO 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、WLA
8、N 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,
9、2010 年,贝尔实验室的 Marzetta 研究了多小区、TDD(time division duplexing)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(large scale MIMO,或者称 Massive MIMO)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 12 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
10、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。2.1.2 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(orthogonal frequency di-vision multiplexing)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
11、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 1 GHz 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
12、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,lter-bank based multicarrier)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
13、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。FBMC 技术
14、作为 5G 系统多载波方案的重要选择,吸引了越来越多人的研究兴趣。由于在 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。2.1.3 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,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
15、 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 70 dB),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
16、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;MI
17、MO 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.2.2 无线网络技术 2.2.1 超密集异构网络技术 由于 5G 系统
18、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(universal mobile telecommunications system)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。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
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