基于5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)及核心技術(shù)分析

摘 要：隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用以及智能電話(huà)和平板電腦等新型移動(dòng)設(shè)備的推出，產(chǎn)生了大量新的用于移動(dòng)連接的應(yīng)用程序，使網(wǎng)絡(luò)流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。為應(yīng)對(duì)不遠(yuǎn)將來(lái)的挑戰(zhàn)，今天的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)必須以各種方式向前發(fā)展。目前的無(wú)線技術(shù)，如第三代合作項(xiàng)目LTE技術(shù)，HSPA和WiFi等將納入新的技術(shù)組件，以滿(mǎn)足未來(lái)的需要。然而，可能存在某些情況不能隨著現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展而得到充分解決的情況。推動(dòng)全新的無(wú)線技術(shù)補(bǔ)充目前的技術(shù)是滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)社會(huì)長(zhǎng)期發(fā)展的需要。比如高速下行分組接入（HSPA）和長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）等最新的技術(shù)組成將為推動(dòng)當(dāng)前無(wú)線技術(shù)進(jìn)步而啟動(dòng)。與此同時(shí)，輔助組件也極可能構(gòu)成未來(lái)無(wú)線技術(shù)的補(bǔ)充技術(shù)。這些新技術(shù)組成部分具有不同存取光譜的方式、相當(dāng)高的頻率范圍和大量天線配置的煽動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備間的直接通信以及超高密度的部署。

關(guān)鍵詞：無(wú)線技術(shù)；5G；蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的新興技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）04-0068-03

Abstract：With the wide potential of mobile communication networks and the introduction of new mobile devices such as smart phones and tablet computers，a large number of new applications for mobile connections have been generated，thus increasing the network traffic exponentially. To meet future assumptions and future challenges，today’s wireless networks must move forward in various ways. The current wireless technology，such as the third generation cooperation project LTE technology，HSPA and WiFi，will be incorporated into the new technology components to meet future needs. However，there may be some cases that can not be fully resolved with the development of existing technologies. Promoting new wireless technology to supplement current technology is a long-term necessity to meet the needs of network society. For example，the latest technology composition of high-speed downlink packet access（HSPA）and long term evolution（LTE）will start as a driving force for the advancement of wireless technology. At the same time，auxiliary components are also likely to constitute complementary technologies for future wireless technology. These new technologies consist of different access spectra，a high frequency range，a large number of antenna configuration incitement，direct communication between devices and deployment of ultra high density.

Keywords：wireless technology；5G；cellular network architecture；wireless network emerging technologies

1 無(wú)線技術(shù)的發(fā)展

意大利發(fā)明家G.Marconi在電磁波的幫助下，以三點(diǎn)莫爾斯碼的形式，沿著3公里的距離傳達(dá)字母“s”，從而開(kāi)啟了最近無(wú)線通信的發(fā)展道路。無(wú)線通訊自成立以來(lái)，已成為當(dāng)今社會(huì)的重要組成部分。自從衛(wèi)星通信、電視和無(wú)線電傳輸向普及移動(dòng)電話(huà)發(fā)展以來(lái)，無(wú)線通信已經(jīng)改變了社會(huì)運(yùn)行方式及人們的生活方式。以下是無(wú)線技術(shù)發(fā)展的概況。

第一代是在20世紀(jì)80年代初宣布的。它的數(shù)據(jù)速率為2.4kbps。主要用戶(hù)有高級(jí)移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)（AMPS）、北歐移動(dòng)電話(huà)（NMT）和全入網(wǎng)通信系統(tǒng)（TACS）。它有許多缺點(diǎn)，比如容量不足、任意切換、低檔語(yǔ)音聯(lián)想以及缺乏安全性。

第二代是20世紀(jì)90年代后期引進(jìn)的。第二代移動(dòng)電話(huà)采用數(shù)字技術(shù)。如：全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM），主要用于語(yǔ)音通信，其數(shù)據(jù)速率可達(dá)64kbps。由于無(wú)線電信號(hào)功率低，2G手機(jī)電池續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)。它還提供短信服務(wù)和電子郵件等服務(wù)。最重要的技術(shù)是GSM，CDMA（code division multi-access），它通常將第二代蜂窩系統(tǒng)與一般分組無(wú)線電服務(wù)（GPRS）合并，其他設(shè)施通常不賦予2G或1G網(wǎng)絡(luò)。

第三代于2000年底成立。它使傳輸速率達(dá)到2 mbps。第三代（3G）系統(tǒng)合并基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的高速移動(dòng)服務(wù)接入。除了傳輸速率外，在維護(hù)QoS方面有了非常大的改進(jìn)。額外的便利設(shè)施，如全球漫游和語(yǔ)音質(zhì)量的提高使3G成為了不起的一代。3G手機(jī)的主要缺點(diǎn)是它比大多數(shù)2G手機(jī)需要更多的功率且更昂貴。

4G一般稱(chēng)為3G和2G標(biāo)準(zhǔn)的后代。3gpp的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)由2G網(wǎng)絡(luò)到3G網(wǎng)絡(luò)的平滑過(guò)渡，保證未來(lái)技術(shù)的后向兼容性，支持輕松建網(wǎng)及系統(tǒng)間的漫游和兼容，目前正在標(biāo)準(zhǔn)化長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE），將作為即將推出的4G標(biāo)準(zhǔn)，具有全球范圍內(nèi)的微波接入（WiMAX）移動(dòng)互操作性。4G系統(tǒng)通過(guò)提供一個(gè)基于IP的完整和可靠的解決方案來(lái)改進(jìn)主流通信網(wǎng)絡(luò)。將在每一處為用戶(hù)提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和多媒體等設(shè)施，而且與前幾代相比，其數(shù)據(jù)率要高得多。使用4G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序包括多媒體消息服務(wù)（mms）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、視頻聊天、高清電視內(nèi)容和移動(dòng)電視。

隨著用戶(hù)需求的指數(shù)倍增長(zhǎng)，4G將很容易地被5G取代。5G是一種先進(jìn)的接入技術(shù)，5G的想法基于當(dāng)前的動(dòng)態(tài)，一般認(rèn)為5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)必須解決6個(gè)4G無(wú)法有效應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)，即更大的容量、更高的數(shù)據(jù)率、更低的端到端延遲、大規(guī)模的設(shè)備連接、更低的成本和持續(xù)的經(jīng)驗(yàn)提供質(zhì)量。

2 5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

考慮到5G網(wǎng)絡(luò)在市場(chǎng)上的應(yīng)用會(huì)使網(wǎng)絡(luò)中的多種訪問(wèn)技術(shù)幾乎處于停滯狀態(tài)，因此需要進(jìn)一步改進(jìn)。像OFDM這樣的現(xiàn)有技術(shù)至少在未來(lái)50年內(nèi)都能發(fā)揮作用，無(wú)線設(shè)備也不需要從1G改為4G，或只能在基本網(wǎng)絡(luò)中添加應(yīng)用程序或進(jìn)行改進(jìn)，以滿(mǎn)足用戶(hù)需求。這將會(huì)促使包裝供應(yīng)商在4G網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化建立時(shí)就轉(zhuǎn)向5G網(wǎng)絡(luò)。為滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，還需克服在5G系統(tǒng)中提出的挑戰(zhàn)，需要徹底改變5G無(wú)線蜂窩架構(gòu)的設(shè)計(jì)策略。根據(jù)研究人員的觀察表明，大多數(shù)無(wú)線用戶(hù)在室內(nèi)停留的時(shí)間約占80%，在室外停留的時(shí)間約占20%。在目前的無(wú)線蜂窩結(jié)構(gòu)中，移動(dòng)用戶(hù)進(jìn)行內(nèi)部或外部通信，位于單元中間的外部基站有助于通信。因此，內(nèi)部用戶(hù)要與外部基站通信，信號(hào)就必須穿透墻壁，這將帶來(lái)非常高的滲透率損失，相應(yīng)地，無(wú)線通信的頻譜效率、數(shù)據(jù)速率和能源效率也將降低。為了克服這一難題，一種設(shè)計(jì)5G蜂窩架構(gòu)的新想法或新技術(shù)出現(xiàn)了，這就需要區(qū)分外部和內(nèi)部設(shè)置。使用這種技術(shù)，穿透建筑物的損失將略有減少。

為了建造大型的MIMO網(wǎng)絡(luò)，首先，外部基站將安裝大型天線陣列，其中一些天線陣列將分散在六邊形電池周?chē)?，并通過(guò)光纖電纜與基站連接，并輔之以大規(guī)模的MIMO技術(shù)。外部的移動(dòng)用戶(hù)通常安裝一定數(shù)量的天線單元，構(gòu)建一個(gè)大型的虛擬天線陣列，與基站天線陣列一起形成虛擬的MIMO鏈路；其次，每座建筑都將安裝大型外部天線陣列，借助視線組件與室外基站進(jìn)行通信。建筑物內(nèi)的無(wú)線接入點(diǎn)通過(guò)電纜與大型天線陣列連接，以便與室內(nèi)用戶(hù)通信。這將大大提高細(xì)胞系統(tǒng)的能源效率、細(xì)胞平均吞吐量、數(shù)據(jù)速率和光譜效率，但這要以增加基礎(chǔ)設(shè)施成本為代價(jià)。

隨著這種架構(gòu)的引入，內(nèi)部用戶(hù)只需與內(nèi)部無(wú)線接入點(diǎn)連接或通信，更大的天線陣列仍被安裝在建筑物外面。對(duì)于室內(nèi)通信，某些技術(shù)，如WiFi、小單元、超寬帶、毫米波通信和可見(jiàn)光通信，對(duì)于數(shù)據(jù)率高的小型通信非常有用，但是像毫米波和可見(jiàn)光通信這樣的技術(shù)正在利用更高的頻率，而這些頻率并不是傳統(tǒng)的用于細(xì)胞通信的。將這些高頻波用于外部和遠(yuǎn)距離應(yīng)用并不是一個(gè)有效的想法，因?yàn)檫@些高頻波不會(huì)有效地從致密的物質(zhì)中滲透，并且很容易被雨滴、氣體和植物驅(qū)散。不過(guò)，毫米波和可見(jiàn)光通信技術(shù)可以提高室內(nèi)設(shè)備的傳輸數(shù)據(jù)率，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生了大量的帶寬。隨著新頻譜的引入（這種新頻譜并非傳統(tǒng)上用于無(wú)線通信的）。還可以通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電（CR）網(wǎng)絡(luò)提高當(dāng)前無(wú)線電頻譜的利用率來(lái)解決頻譜短缺的問(wèn)題。

因?yàn)?G的細(xì)胞結(jié)構(gòu)是異構(gòu)的，所以它必須包括宏細(xì)胞、微細(xì)胞、小細(xì)胞和繼電器。一個(gè)移動(dòng)小單元概念是5G無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，部分包括移動(dòng)繼電器和小單元概念。它被引入汽車(chē)和高速列車(chē)中，以培養(yǎng)高流動(dòng)性的用戶(hù)。根據(jù)用戶(hù)的意見(jiàn)，移動(dòng)小單元實(shí)現(xiàn)為一個(gè)普通基站，它的相關(guān)用戶(hù)被觀察到是基站的一個(gè)單一單元，這證明了上述將室內(nèi)和室外設(shè)置分開(kāi)的想法是可行的。移動(dòng)小單元用具有高數(shù)據(jù)速率的服，大大減少了信令開(kāi)銷(xiāo)（一體化網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)管理機(jī)制分析模型在網(wǎng)絡(luò)中傳輸著各種信號(hào)）。因?yàn)?G無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)只包括兩個(gè)邏輯層，即無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)云。具有不同功能的、不同類(lèi)型的組件共同構(gòu)成了無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)。

3 5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的新興技術(shù)

預(yù)計(jì)未來(lái)十年，移動(dòng)和無(wú)線通信量將增加千倍，這將由預(yù)計(jì)到2020年連接云的500億個(gè)連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)，所有這些設(shè)備都需要隨時(shí)隨地訪問(wèn)和共享數(shù)據(jù)。隨著連接設(shè)備數(shù)量的迅速增加，將通過(guò)提高能力、提高能效、提高成本和提高頻譜利用率來(lái)為處理日益增多的連接設(shè)備提供更好的可擴(kuò)展性。

大量的MIMO是一種從目前的MIMO技術(shù)升級(jí)的技術(shù)。這個(gè)龐大的MIMO系統(tǒng)使用的天線陣列包含幾百個(gè)天線，在同一時(shí)間內(nèi)，這些天線頻率槽為幾十個(gè)用戶(hù)終端服務(wù)。大量的MIMO依賴(lài)于空間多路復(fù)用，而這進(jìn)一步依賴(lài)于基站擁有的信道狀態(tài)信息，包括上行鏈路和下行鏈路。在傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)中，基站將先導(dǎo)波形發(fā)送到終端，在此基礎(chǔ)上，終端對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)、量化并反饋到基站。由于以下兩個(gè)原因，這個(gè)過(guò)程對(duì)于大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)是不可行的，特別是在高流動(dòng)性條件下。首先，基站的下行導(dǎo)頻必須是正交的，隨著天線數(shù)量的增多，對(duì)下行導(dǎo)頻的時(shí)間、頻率槽的要求增大。與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)相比，如此龐大的MIMO系統(tǒng)現(xiàn)在需要大量類(lèi)似的插槽；其次，由于基站天線的數(shù)量增加，每個(gè)終端的信道估計(jì)數(shù)也隨之增加，而每個(gè)終端需要幾百倍的上行插槽來(lái)反饋信道對(duì)基站的響應(yīng)。一般解決這一問(wèn)題的辦法是采用時(shí)間劃分雙工（TDD）模式，并依賴(lài)上行和下行信道之間的互惠性。

MIMO技術(shù)依賴(lài)來(lái)自于基站所有天線的發(fā)射或接收更多的信號(hào)空間流，這能顯著提高信道容量，而通過(guò)智能波束成型，將射頻的能量集中在一個(gè)方向上，可以提高信號(hào)的覆蓋范圍，以下是一個(gè)巨大的MIMO系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

（1）大量的MIMO具有將輻射能量效率提高100倍的能力，同時(shí)增加10倍或更多的能力。

容量增加的積極原因是大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中使用的空間多路復(fù)用技術(shù)。隨著輻射能效率的提高，由于天線數(shù)量的增加，能量可以集中在空間的小區(qū)域。它基于波鋒的相干疊加原理。在傳送天線發(fā)出形狀信號(hào)后，基站沒(méi)有任何作用，因?yàn)樗_認(rèn)天線發(fā)出的所有波鋒可能會(huì)在預(yù)定的終端位置建設(shè)性地增加，并在其他地方造成破壞。零強(qiáng)迫被用于抑制終端之間的剩余干擾，但代價(jià)是增加傳輸功率。

（2）在概念、方案和執(zhí)行方面，大量的MIMO出現(xiàn)了變化。

大量的MIMO系統(tǒng)在昂貴的超線性50瓦放大器中使用數(shù)百個(gè)較便宜的放大器，因?yàn)樵缙诘姆糯笃鞯妮敵龉β试诤镣叻秶鷥?nèi)，這比傳統(tǒng)系統(tǒng)中通常使用的毫瓦范圍要好得多。它與傳統(tǒng)的陣列方案不同，因?yàn)樗皇褂靡粋€(gè)小天線，這個(gè)天線由高功率放大器提供，但具有顯著的影響。最顯著的改進(jìn)是移除了大量昂貴和巨大的物品，比如大型同軸電纜。在大規(guī)模的MIMO技術(shù)中使用大量的天線，使噪音、衰落和硬件缺陷得到平均，因?yàn)閬?lái)自大量天線的信號(hào)在自由空間中組合在一起，它濃縮了每一個(gè)單放大器和無(wú)線電頻率鏈的精度和線性限制，最重要的是它們的集體行動(dòng)。

巨大的MIMO通道有很大的空間，幾乎所有事項(xiàng)都可以在不干擾終端的情況下進(jìn)行。精確的模塊可以被放置在這個(gè)空間，使傳輸?shù)牟ㄐ螡M(mǎn)足首選的包絡(luò)限制。能源效率的顯著提高使MIMO系統(tǒng)在總輸出功率上比現(xiàn)有技術(shù)低兩步。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榉涓C基站消耗大量的電力，這是一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。此外，如果使用較少電力的基站可以由太陽(yáng)能或風(fēng)能等可再生資源驅(qū)動(dòng)，那么將基站部署到?jīng)]有電力的地方是有益的。與此同時(shí)，電磁輻射將大大減少。

干擾民用無(wú)線系統(tǒng)是人們關(guān)注的主要領(lǐng)域，它會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。由于帶寬有限，不可能通過(guò)頻率分配信息。在多天線的幫助下，MIMO提供了提高無(wú)線通信魯棒性的方法。它提供了一個(gè)多余的自由度，可用于取消來(lái)自有意干擾的信號(hào)。如果大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)使用聯(lián)合信道估計(jì)和解碼來(lái)代替上行信道估計(jì)，那么來(lái)自預(yù)定干擾器的問(wèn)題將大大減少。

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作者簡(jiǎn)介：陳珍臻（1986-），女，漢族，廣東惠州人，教師，計(jì)算機(jī)應(yīng)用講師，學(xué)士。研究方向：網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及核心技術(shù)。