5G移動(dòng)通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究

楊 薇 天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究

楊 薇 天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)

5G 第五代通信系統(tǒng)；大規(guī)模分布式天線(xiàn)系統(tǒng)；超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

1. 4G通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀

目前， 4G網(wǎng)絡(luò)已在不同國(guó)家內(nèi)被推廣使用，涉及各個(gè)領(lǐng)域，但其具體開(kāi)發(fā)的發(fā)展演變極其復(fù)雜，造成了4G網(wǎng)絡(luò)在使用過(guò)程中的一些問(wèn)題。

1.1 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

世界通信制式較為混亂。 4G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中的TD-LTE和FDD-LTE是無(wú)法兼容的，這種現(xiàn)狀導(dǎo)致4G網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)的業(yè)務(wù)分為了兩部分，會(huì)造成無(wú)法實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫漫游的不良的用戶(hù)體驗(yàn)。

1.2 核心技術(shù)

4G通信系統(tǒng)核心IP技術(shù)在實(shí)時(shí)定位與快速無(wú)縫切換機(jī)制兩方面尚未得到有效的技術(shù)支持。現(xiàn)有4G系統(tǒng)基站配置天線(xiàn)的數(shù)目較少，空間分辨率低，性能增益仍然有限。

1.3 傳輸容量

4G的通信系統(tǒng)容量具有局限性，大約為12.5MB/S的寬帶速度，業(yè)務(wù)很大程度上受到了頻率資源的限制，從而影響了移動(dòng)終端設(shè)備的實(shí)際使用效果。

2.5G未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

5G的核心理念是在4G基礎(chǔ)上，使得無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信的頻譜效率和功率能夠提升一個(gè)量級(jí)，從而解決移動(dòng)通信的頻譜和功率的有效性問(wèn)題，整合4G協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)比較混亂的現(xiàn)狀。

為了適應(yīng)未來(lái)不斷增長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求， 5G需要具備低成本、低能耗和安全可靠的特點(diǎn)。其網(wǎng)絡(luò)承載能力將是4G的1000倍，峰值的傳輸速率達(dá)到10Gbit/s，端到端時(shí)延達(dá)到ms級(jí)，流量密度將提升1000倍。頻譜利用率提升5至10倍，確保在500km/h的速度下保證用戶(hù)體驗(yàn)。 5G組網(wǎng)的理念更加側(cè)重于構(gòu)建一個(gè)能夠承載龐大的數(shù)據(jù)量并以此來(lái)提供多樣化服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)社會(huì)。

3.5G的關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)一步研究方向

為了滿(mǎn)足未來(lái)的通信業(yè)務(wù)的需求，適應(yīng)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量密集化的趨勢(shì)， 5G在無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面將引入新的技術(shù)，例如大規(guī)模的天線(xiàn)系統(tǒng)和高密度的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3.1 大規(guī)模天線(xiàn)系統(tǒng)

大規(guī)模天線(xiàn)系統(tǒng)的基本特征是在基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)，較原先的4G系統(tǒng)中的4/8根天線(xiàn)增加一個(gè)量級(jí)以上，配置數(shù)十根至數(shù)百根的天線(xiàn)。這些天線(xiàn)既可以以大規(guī)模的天線(xiàn)陣列的形式集中放置于小區(qū)內(nèi)（大規(guī)模MIMO，Masssive MIMO），也可分散放置（大規(guī)模分 布 式MIMO， Large-scale Distributed MIMO）。

大規(guī)模MIMO和大規(guī)模分布式MIMO的目的是相同的，即通過(guò)顯著增加基站側(cè)配天線(xiàn)的數(shù)量，擴(kuò)充無(wú)線(xiàn)空間的維度資源，以達(dá)到顯著提升頻譜效率和功率效率的目的。隨著大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)的提出，隨機(jī)矩陣?yán)碚摫恢匦律钊胙芯俊Ｓ捎谠诖讼到y(tǒng)中，用戶(hù)數(shù)和天線(xiàn)數(shù)均為大規(guī)模增加，信道信息的獲取就是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的瓶頸之一，因此導(dǎo)頻資源受限下的信息理論必須要考慮，同時(shí)，還需考慮信道估計(jì)對(duì)系統(tǒng)頻譜效率的影響。其次，多小區(qū)多用戶(hù)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)容量的極限問(wèn)題也不容回避。因?yàn)椋到y(tǒng)級(jí)的容量是在多小區(qū)多用戶(hù)容量分析的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)蜂窩系統(tǒng)的容量評(píng)估，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

理想信道信息多天線(xiàn)系統(tǒng)的容量估計(jì)已日趨成熟，非理想信道信息將是未來(lái)間就多天線(xiàn)系統(tǒng)容量的一個(gè)重要方向。

3.2 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的正式使用會(huì)帶來(lái)原先無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的整合和改善。因此， 5G通信網(wǎng)會(huì)是一種新型的多種無(wú)線(xiàn)接入方式并存的通信系統(tǒng)，其中宏基站負(fù)責(zé)基礎(chǔ)覆蓋，高密度低功率節(jié)點(diǎn)（Small Cell）負(fù)責(zé)熱點(diǎn)覆蓋，站點(diǎn)部署密度將是現(xiàn)有密度的十倍以上，站點(diǎn)之間的距離可至10米以下，支持高達(dá)25000個(gè)用戶(hù)/km2。組成這樣的超密集網(wǎng)絡(luò)（UDN ），可以有效提升單位面積的頻譜效率，縮小小區(qū)的同時(shí)進(jìn)一步縮短了用戶(hù)的傳輸鏈路，提升了功率效率。

由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)采用減少節(jié)點(diǎn)之間的距離來(lái)提高頻譜和功率效率，這將導(dǎo)致一些新的問(wèn)題。例如，在5G網(wǎng)絡(luò)中可能存在同一種無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)之間的同頻干擾，不同無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)之間由于共享頻譜而帶來(lái)的干擾；隨著基站站點(diǎn)的增加，小區(qū)邊界更多，更不規(guī)則，切換將變得更為頻繁和復(fù)雜，從而影響移動(dòng)性性能。為了解決相關(guān)干擾帶來(lái)的性能損傷，可進(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)以及多覆蓋層次之間的共存的技術(shù) 。針對(duì)超密集網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景發(fā)展，可研究新的切換算法。

4.結(jié)語(yǔ)

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的整體架構(gòu)是基于現(xiàn)有技術(shù)的一種演進(jìn)，將現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)指標(biāo)加以提升，并發(fā)展必要的無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，如大規(guī)模MIMO 和超密集網(wǎng)絡(luò)等。本文對(duì)5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了評(píng)述，并指出了可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題及進(jìn)一步的研究方向。隨著科學(xué)研究的不斷深入，預(yù)計(jì)在2020年投入商用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”的狀態(tài)。

［1］ 朱朝旭，果實(shí)，薛磊.4G網(wǎng)絡(luò)特性及安全性研究［J］.數(shù)據(jù)通信.2011（03）

［2］ 王志勤，羅振東，魏克軍.5G業(yè)務(wù)需求分析及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程［J］.中興通訊技術(shù)，2014，20（2）：2-4，25

［3］ 4G AMERICAS.4G America' s Recommendations on 5G Requirements and Solutions ， white paper［EB/OL］.http：//www.4gamericas.org

［4］ 王東明，張余，魏浩，尤肖虎，高西奇，王江舟.面向5G的大規(guī)模天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸理論與技術(shù)［J］.中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2016，46：3-19

［5］ Nokia Siemens Networks.2020 Beyond 4G Radio Evolution for the Gigabit Experience［OL］.2011

［6］ Liu S，Wu J J ，Chung H K ，et al.A 25 Gb/s（/km2）urban wireless network beyond IMT-advanced .IEEE Commun Mag，2011，49： 122-129

為了滿(mǎn)足未來(lái)對(duì)于高數(shù)據(jù)速率和移動(dòng)性數(shù)據(jù)持續(xù)增長(zhǎng)的需求，業(yè)內(nèi)陸續(xù)開(kāi)展了對(duì)于第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究。本文主要論述了目前使用的4G通信網(wǎng)絡(luò)的局限性，在此基礎(chǔ)上發(fā)展的5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)一步研究方向。