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第五代移动通信关键技术分析

时间:2016-03-03来源: 作者: 点击: 157次

[陈秀英]

 

摘要      为了满足更多用户和设备的高带宽需求及融合现有的各种网络进行无缝通信,第五代移动通信技术应运而生,并预计将在2020年进入商用阶段。文章首先介绍了5G的概念和国内外研究现状,并重点分析了5G中的一些关键技术,然后针对5G网络中可能存在的一些问题和挑战进行讨论,为之后的研究发展提供参考。

 

关键词: 5G 网络架构 MIMO 密集网络 同时同频

 

陈秀英

实习研究员,硕士研究生,就职于国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心通信发明审查部网络通信室,主要从事网络通信领域的发明专利实质审查工作。

 


1       引言

第五代移动通信技术,简称5G,是目前正在推进的4G(第四代移动通信技术)之后的延伸。3G技术曾将人们从电话语音通信带入了移动宽带数据业务,4G技术使得宽带数据业务的速率得到了大幅度的提升。然而,随着移动用户的大幅提升及物联网、机器类通信等各种不同业务方面的需求,移动数据量将有上千倍的提升,届时4G将无法满足大量用户和设备的高速通信。此外,现有的3G、4G网络在频谱利用率、网络覆盖率方面均还有待改进。5G通信技术的研究,旨在在现有4G的基础上进行传输速率的再提升,实现无处不在的无线信号覆盖,建立云化和智能化的融合网络架构,从而将办公、购物、医疗、教育、娱乐、交通、社交等各种垂直行业更大规模地纳入移动互联网产业[1]

目前,5G技术的研究已在全球拉开了序幕,欧盟于2012年出资巨款支持5G研究项目METISMobile and Wireless Communications Enablers for the 2020 Information Society)的启动,项目分别对环境需求、空口技术、MIMO、网络架构、频谱分析、仿真及测试平台等进行深入研究;英国政府也联合多家企业创立了5G创新中心,致在对未来用户需求、核心技术、5G网络关键性能指标进行研究与评估验证;韩国三星电子有限公司也在2013年宣布已成功开发第5代移动通信的核心技术,该技术可在28GHz超高频段以每秒1Gbps以上的速度传送数据,且最长传送距离可达2公里,利用这一技术,下载一部高画质(HD)电影只需十秒钟;国内华为公司早在2009年就对5G相关技术进行了早期研究,并在之后的几年向外界展示了5G原型机基站;工业和信息化部、发改委和科技部共同成立了IMT-2020推进组,旨在推动国内自主研发5G技术成为国际标准[2]。可见,各个国家和组织都在积极进行着5G的研究,5G是未来十年的移动通信发展方向。

2        5G中关键技术

为了提高数据传输速率和频谱利用率,保证小区边缘的高吞吐量,5G将引入更加先进的技术,其中包括新型网络架构、大规模MIMO技术、密集网络、同时同频全双工等[3]

2.1   新型网络架构

与前面四代通信技术不同,5G不是一个单一的无线技术,而是现有的多种无线通信技术的融合。以往的移动通信系统的连网方式主要以基站为中心,实现对市区覆盖,而随着移动通信业务量的不断增长,基站所承担的业务量和计算量也将越来越大。为了减轻基站的压力,3GPP LTERel-12中提出将D2DDevice-to Device,设备直接到设备)通信作为5G中的关键技术。D2D技术允许终端在蜂窝系统的控制下复用蜂窝系统的频谱资源,无需基站转接而直接实现数据交换和服务提供。与传统的基站转发处理相比,D2D可以提高小区吞吐量、降低终端功耗、增强数据传输率等方面的优势。

随着物联网技术的发展,5G网络不仅要满足人与人之间的高速连接,还需要满足大量的“人与机器”及“机器与机器”之间的高速连接,以软件与硬件解耦为特点的NFVNetwork FunctionVirtualization,网络功能虚拟化)技术和以控制与转发分离为特点的SDNSoftware Defined Networking,软件定义网络)技术[4],能有效满足未来5G网络架构的一些技术特征。NFV技术使传统的物理网络设备以VNFVirtualized Network Function,虚拟网络功能)的方式部署在通用硬件的虚拟机上,实现网络资源的弹性伸缩,加快网络部署,提高网络的运维管理效率。而SDN技术能够提高控制面的集成度,增强转发面效率;对于网络设备控制面,将会采用集中控制、分布控制或两者结合的方式;对于网络设备的转发面,基站与路由交换设备等基础设施具有可编程性、开放性和兼容性。

2.2   大规模MIMO技术

目前,多输入输出(MIMOmultiple-input multiple output)技术在各种无线通信系统中得到充分的应用,以提高频谱效率、传输速率及可靠性。然而,随着系统容量需求的不断提升,MIMO也无法满足用户的需求。为此,研究者们提出了在基站配置大规模天线阵列的大规模MIMO技术。大规模MIMO技术通过在基站设置数百根的低功率天线,天线数目较4G系统中的8根增加了一个数量级,远远超过了同一时频资源上同时调度的单天线用户数量。大规模的天线阵列将大大增加空间维度资源,提高频谱利用率。通过将波束集中在一定范围,可以有效减少干扰,同时可以降低发射功率,节约能源。

2.3   密集网络

5G时代的联网设备会出现爆炸式的增长,若继续采用以往的宏基站覆盖模式,带宽再大也将无力支撑,因此,基站微型化将成为5G提升网络性能的一种方法。密集网络技术通过在网络中引入大量的微基站,以实现提高系统容量、热点增强、改善网络覆盖率的目的。为了提高网络的灵活性,满足用户的临时性需求,密集网络需要按业务需求来布置无线接入点,导致网络拓扑结构复杂,呈现非规则性,且具有动态变化的特性。在这种情况下,很难利用现有规则蜂窝网中的频谱复用技术降低小区间干扰,研究者们将随机几何拓扑引入蜂窝网[5]。在随机几何网络拓扑模型中,基站和移动台的位置均服从泊松分布,在该架构下,利用随机几何理论可以推导出网络全局信干比的封闭表达式,理论上得到网络的基本性能。此外,将现有的CoMP、认知技术、通用参考信号(CRS)抵消技术等降低小区间干扰的技术应用到密集网络中,也将是5G网络研究的重点。

2.4   同时同频全双工

在传统的无线通信技术中,由于当前技术条件的限制,不能实现同时同频的全双工通信,在某种程度上造成了资源浪费。如果能在5G网络中采用同时同频全双工通信,将会是技术上的一个重大突破。该技术在相同的物理信道上同时对两个方向的信号传输,在接收端通过取消自身发送的信号干扰,在发射信号的同时接收另一节点的相同频率信号。全双工技术理论上能提高1倍的频谱利用率,能够实现更为灵活的频谱使用,随着器件技术和信号处理技术的发展,同时同频全双工技术将在5G通信技术中得到充分体现。

3       挑战

综上所述,新型的网络架构、大规模MIMO、密集网络、同时同频全双工等技术的使用,能有效满足未来5G的主要技术特征需求,然而,将上述技术真正应用到移动网络中,还存在诸多挑战,主要包括以下几方面:

1)将D2D通信方式融合到蜂窝网中,必然会带来D2D链路与蜂窝通信链路间的同频干扰,何时启用D2D通信模式,以及D2D通信如何与蜂窝网通信共享资源,是D2D应用中要面对的问题。基于NFVSDN技术的网络架构中,如何针对现有通信服务器的处理性能、控制器与基站间的传输延时等一些参数,给出集中式控制模块与基站间功能的具体划分,成为该架构在移动通信网络中的首要问题。

2)在大规模MIMO中,随着天线阵列规模的增大,天线阵列的体积也会随着增大,如何减少天线阵列的占用空间、降低系统复杂度、实现大量天线间的耦合,都存在着极大挑战。

4)对于密集网络,由于智能网的融合,不同终端对接入速率要求不同,需要能够设计出满足多速率接入要求的网络,此外,还需要根据终端的使用状况及使用环境进行大量的预测,并在信道环境、网络状态、需求量突变之前进行有效的前摄管理[6]

3)在同时同频全双工技术中,发送和接收信号的功率差距很大,会导致严重的自干扰。另外,邻小区间的同频干扰问题使得同时同频全双工在多天线的应用环境下面临更大的困难。

4       结语

5G网络以用户体验为中心,将车联网、物联网、新型智能终端、智慧城市组合成一个智能化网络,将为我们提供高速率、低延时、高可靠性的服务,为用户带来全新的体验。随着研究的不断深入,5G的关键技术将得到逐步明确,并在未来几年迈入标准的研究与制定阶段。

参考文献

1   李章明. 5G移动通信技术及发展趋势的分析与探讨[J]. 广东通信技术,2015(4): 44-46.

2   IMT-2020(5G)推进组. 5G愿景与需求白皮书. http://www.imt-2020.cn/zh/ documents/listByQuery current Page=1 &content IMT-2020 (5G) Promotion Squad. 5G vision and Demand While Paper.http://www.imt-2020.cn/zh/documents/listByQuery current Page=1&content.

3   Chae-Sub Lee, Knight D. Realization of the next-generation network[J]. Communications Magazine, IEEE, 2005, 43(10): 34-41.

4   杨峰义,张建敏,谢伟良,王敏,王海宁.  5G蜂窝网架构分析[J]. 电信科学,2015(5): 2015117-1 - 2015117-11.

5   彭景乐. 5G移动通信发展趋势与相关关键技术的探讨[J]. 中国新通信, 2014(20): 52.

6   张猛. 5G移动通信网络浅谈[J]. 信息通信,2015(7): 237.

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