淺談5G移動通信技術摘要2013年12月，我國工信部正式向三大運營商發放4G牌照，4G在中國正式走向商用。在4G技術剛剛走向商用，全球4G建設部署方興未艾之時，5G的研發工作已經如火如荼，2013年2月，歐盟宣布，將撥款5000萬歐元，加快5G移動技術的發展，計劃到2020年推出成熟的標準。三星表示，其5G網絡已成功在28千兆赫（GHz）波段下達到了1Gbps，相比之下，當前的第四代長期演進（4GLTE）服務的傳輸速率僅為75Mbps。2013年4月8日博鰲亞洲論壇，中國移動戰略決策咨詢委員會主任王建宙表示，從全球情況來看，4G快速發展已成為現實，5G的研究也在快速展開和成熟。關鍵詞5G、性能特點、發展動力、演進、無線傳輸、無線網絡ABriefIntroductionof

theFifthGenerationMobileCommunicationAbstract：InDecember2013,ourindustryandissuing4GlicensesinChina,4GofficiallyintothecommercialformallytothethreeoperatorsMinistryofInformation.4Gtechnologyisonlyinbusiness,constructionrisingglobaldeploymentof4G,5Gresearchworkhasbeeninfullswing,inFebruary2013,theEUannounced50millioneurosinfundingtoacceleratethedevelopmentof5Gmobiletechnology,planstolaunchamaturestandard2020.Samsungsaidithassuccessfullyissued5Gnetworkto1Gbps28000MHzband(GHz),comparedtothecurrentfourth-generationLongTermEvolution(4GLTE)transferrateofserviceisonlyjust75Mbps.BoaoForumforAsia,April8,2013were,directorWangChinaMobilesaidthestrategicdecisionoftheAdvisoryCommittee,fromaglobalperspective,therapiddevelopmentof4Ghasbecomeareality,5Gresearchisstillintherapidexpansionandmaturation.KeyWords:5G,performancecharacteristics,thedevelopmentofdynamicevolution,wirelesstransmission,wirelessnetwork1、簡要介紹二十一世紀以來，智能終端的普及以及移動業務應用的蓬勃發展，促使移動互聯網呈現出爆炸式發展趨勢，統計數據表明，無線業務流量以每年接近100%的速度增長，這意味著未來十年，無線數據流量將增長1000倍。數據表明，2020年后，現階段正在部署的4G技術已經無法滿足日益增長的移動互聯網和物聯網業務的發展需求。這正是5G發展的主要驅動力，未來的5G將服務于人們日常學習工作生活的方方面面，如：無線支付、移動辦公、智能家居、位置服務、遠程醫療等等。同時，也將與電網、交通、醫療、家居等傳統行業深度融合，衍生出大量以物為主體的終端。這些都對未來的5G的性能指標提出了更多，更高的要求，與4G相比，除了速率、時延等傳統的空口性能指標需要進一步提升外，還需要考慮用戶體驗速率、連接數密度、頻譜效率、能效以及成本等進一步體現5G系統的先進性的指標。1.1頻帶利用率高在5G移動通信技術中，高頻段的頻譜資源將被應用的更為廣泛，但是在目前科技水平條件下，由于會受到高頻段無線電波的穿透能力影響，高頻段頻譜資源的利用效率還是會受到某種程度的限制，但這不會影響光載無線組網、有線與無線寬帶技術的融合等技術的普遍應用。1.2.通信系統性能有很大提高傳統的通信系統理念，是將信息編譯碼、點點之間的物理層面傳輸等技術作為核心目標，而5G移動通信技術的不同之處在于，它將更加廣泛的多點、多天線、多用戶、多小區的相互協作、相互組網作為重點的研究突破點，以大幅度提高通信系統的性能。1.3.設計理念先進在通信業務中，占據主導地位的是室內通信業務的應用，5G移動通信系統的優先設計目標定位在室內無線網絡的覆蓋性能及其業務支撐能力上，這將改變傳統移動通信系統的設計理念。1.4.能耗和運營成本降低5G無線網絡的“軟”配置設計，將是未來該技術的重要研究、探索方向，網絡資源可以由運營商根據動態的業務流量變化而實時調整，這樣，可以有效降低能耗和網絡資源運營成本。1.5主要的考量指標5G通信網絡技術的研究，將更為注重用戶體驗，交互式游戲、3D、虛擬實現、傳輸延時、網絡的平均吞吐速度和效率等指標將成為考量5G網絡系統更好的LTE版本完善。隨著更多的先進技術融入到LTE/LTE-Advanced技術標準中，給蜂窩移動通信帶來了強大的生命力和發展潛力。3.2WLAN無線局域網（WLAN）是當今全球應用最為普及的寬帶無線接入技術之一，擁有良好的產業和用戶基礎，巨大的市場需求推動了WLAN技術的發展，大量的非授權頻段也給WLAN技術提供了巨大的發展空間。在強大的市場需求推動下，WLAN與移動通信系統逐漸走向全方位的融合，在終端方面，WLAN已成為智能手機的必備功能，智能手機支持手機流量和WLAN之間的自動切換。在網絡方面，越來越多地廠商開始提供完整地“蜂窩+WLAN”解決方案，實現了WLAN和蜂窩資源共享，不僅方便網絡部署、運營、管理和維護、也可節約大量開支。由此可見，在移動數據業務快速增長的有力推動下，WLAN與移動通信走向廣泛深入地融合已是未來的趨勢，也許會在5G發展中出現根本性的變化。目前，IEEE已經啟動了下一代WLAN標準“High-efficiencyWLAN”的研究，將進一步提升運營商業務能力，推動WLAN技術與蜂窩網絡的融合。3.3革命性技術此外，我們還應當特別關注可能出現的革命性5G技術。從蜂窩移動通信的演進路線來看，每一代演進都有革命性技術出現，從2G的GSM到3G的CDMA，再到4G的OFDM，那么，5G是否會出現新一代的革命性技術，而這種革命性技術是否需要與LTE演進采用不同的技術路線，進而產生新一代的空中接口技術，將成為我們重點關注的內容。4、5G關鍵性技術為提升其業務支撐能力,5G在無線傳輸技術和網絡技術方面將有新突破。在無線傳輸技術方面,將引入能進一步挖掘頻譜效率提升潛力的技術，如先進的多址接入技術、多天線技術、編碼調制技術、新的波形設計技術等;在無線網絡方面,將采用更靈活、更智能的網絡架構和組網技術,如采用控制與轉發分離的軟件定義無線網絡的架構、統一的自組織網絡(SON)、異構超密集部署等。5G移動通信標志性的關鍵技術主要體現在超高效能的無線傳輸技術和高密度無線網絡(highden-sitywirelessnetwork)技術。其中基于大規模MIMO的無線傳輸技術將有可能使頻譜效率和功率效率在4G的基礎上再提升一個量級,該項技術走向實用化的主要瓶頸問題是高維度信道建模與估計以及復雜度控制。全雙工(fullduplex)技術將可能開辟新一代移動通信頻譜利用的新格局。超密集網絡(ultradensenetwork,UDN)已引起業界的廣泛關注,網絡協同與干擾管理將是提升高密度無線網絡容量的核心關鍵問題。體系結構變革將是新一代無線移動通信系統發展的主要方向.現有的扁平化SAE/LTE(systemarchitectureevolution/longtermevolution)體系結構促進了移動通信系統與互聯網的高度融合,高密度、智能化、可編程則代表了未來移動通信演進的進一步發展趨勢,而內容分發網絡(CDN)向核心網絡的邊緣部署,可有效減少網絡訪問路由的負荷,并顯著改善移動互聯網用戶的業務體驗。1)超密集組網:未來網絡將進一步使現有的小區結構微型化、分布化,并通過小區間的相互協作,化干擾信號為有用信號,從而解決小區微型化和分布化所帶來的干擾問題,并最大程度地提高整個網絡的系統容量。2)智能化:未來網絡將在已有SON技術的基礎上,具備更為廣泛的感知能力和更為強大的自優化能力,通過感知網絡環境及用戶業務需求,在異構環境下為用戶提供最佳的服務體驗.3)可編程:未來網絡將具備軟件可定義(SDN)能力,數據平面與控制平面將進一步分離,集中控制、分布控制或兩者的相互結合,將是網絡演進發展中需要解決的技術路線問題。基站與路由交換等基礎設施具備可編程與靈活擴展能力,以統一融合的平臺適應各種復雜的及不同規模的應用場景。4)內容分發邊緣化部署:移動終端訪問的內容雖然呈海量化趨勢,但大部分集中在一些熱點內容和大型門戶網站,在未來的5G網絡中采用CDN技術將是提高網絡資源利用率的重要潛在手段。4.1無線傳輸技術（1）大規模MOMI技術多天線技術作為提高系統頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段,已經應用于多種無線通信系統,如3G系統、LTE、LTE-A、WLAN等。根據信息論,天線數量越多,頻譜效率和可靠性提升越明顯。尤其是,當發射天線和接收天線數量很大時,MIMO信道容量將隨收發天線數中的最小值近似線性增長。因此,采用大數量的天線,為大幅度提高系統的容量提供了一個有效的途徑。由于多天線所占空間、實現復雜度等技術條件的限制,目前的無線通信系統中,收發端配置的天線數量都不多,比如在LTE系統中最多采用了4根天線,LTE-A系統中最多采用了8根天線但由于其巨大的容量和可靠性增益,針對大天線數的MIMO系統相關技術的研究吸引了研究人員的關注,如單個小區情況下,基站配有大大超過移動臺天線數量的天線的多用戶MIMO系統的研究等進而,2010年,貝爾實驗室的Marzetta研究了多小區、TDD(timedivisionduplexing)情況下,各基站配置無限數量天線的極端情況的多用戶MIMO技術,提出了大規模MIMO(largescaleMIMO,或者稱MassiveMIMO)的概念發現了一些與單小區、有限數量天線時的不同特征。之后,眾多的研究人員在此基礎上研究了基站配置有限天線數量的情況.在大規模MIMO中,基站配置數量非常大(通常幾十到幾百根,是現有系統天線數量的1～2個數量級以上)的天線,在同一個時頻資源上同時服務若干個用戶。在天線的配置方式上,這些天線可以是集中地配置在一個基站上,形成集中式的大規模MIMO,也可以是分布式地配置在多個節點上,形成分布式的大規模MIMO。值得一提的是,我國學者在分布式MIMO的研究一直走在國際的前列。大規模MIMO帶來的好處主要體現在以下幾個方面:第一,大規模MIMO的空間分辨率與現有MIMO相比顯著增強,能深度挖掘空間維度資源,使得網絡中的多個用戶可以在同一時頻資源上利用大規模MIMO提供的空間自由度與基站同時進行通信,從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率。第二,大規模MIMO可將波束集中在很窄的范圍內,從而大幅度降低干擾。第三,可大幅降低發射功率,從而提高功率效率.第四,當天線數量足夠大時,最簡單的線性預編碼和線性檢測器趨于最優,并且噪聲和不相關干擾都可忽略不計。（2）基于濾波器組的多載波技術由于在頻譜效率、對抗多徑衰落、低實現復雜度等方面的優勢,OFDM(orthogonalfrequencydi-visionmultiplexing)技術被廣泛應用于各類無線通信系統,如WiMaX、LTE和LTE-A系統的下行鏈路,但OFDM技術也存在很多不足之處。比如,需要插入循環前綴以對抗多徑衰落,從而導致無線資源的浪費；對載波頻偏的敏感性高,具有較高的峰均比;另外,各子載波必須具有相同的帶寬,各子載波之間必須保持同步,各子載波之間必須保持正交等,限制了頻譜使用的靈活性。此外,由于OFDM技術采用了方波作為基帶波形,載波旁瓣較大,從而在各載波同步不能嚴格保證的情況下使得相鄰載波之間的干擾比較嚴重。在5G系統中,由于支撐高數據速率的需要,將可能需要高達1GHz的帶寬。但在某些較低的頻段,難以獲得連續的寬帶頻譜資源,而在這些頻段,某些無線傳輸系統,如電視系統中,存在一些未被使用的頻譜資源(空白頻譜).但是,這些空白頻譜的位置可能是不連續的,并且可用的帶寬也不一定相同,采用OFDM技術難以實現對這些可用頻譜的使用。靈活有效地利用這些空白的頻譜,是5G系統設計的一個重要問題。為了解決這些問題,尋求其他多載波實現方案引起了研究人員的關注其中,基于濾波器組的多載波(FBMC,filter-bankbasedmulticarrier)實現方案是被認為是解決以上問題的有效手段,被我國學者最早應用于國家863計劃后3G試驗系統中。濾波器組技術起源于20世紀70年代,并在20世紀80年代開始受到關注,現已廣泛應用于圖像處理、雷達信號處理、通信信號處理等諸多領域。在基于濾波器組的多載波技術中,發送端通過合成濾波器組來實現多載波調制,接收端通過分析濾波器組來實現多載波解調.合成濾波器組和分析濾波器組由一組并行的成員濾波器構成,其中各個成員濾波器都是由原型濾波器經載波調制而得到的調制濾波器與OFDM技術不同,FBMC中,由于原型濾波器的沖擊響應和頻率響應可以根據需要進行設計,各載波之間不再必須是正交的,不需要插入循環前綴；能實現各子載波帶寬設置、各子載波之間的交疊程度的靈活控制,從而可靈活控制相鄰子載波之間的干擾,并且便于使用一些零散的頻譜資源；各子載波之間不需要同步,同步、信道估計、檢測等可在各資載波上單獨進行處理,因此尤其適合于難以實現各用戶之間嚴格同步的上行鏈路。但另一方面,由于各載波之間相互不正交,子載波之間存在干擾；采用非矩形波形,導致符號之間存在時域干擾,需要通過采用一些技術來進行干擾的消除。（3）全雙工技術全雙工通信技術指同時、同頻進行雙向通信的技術.由于在無線通信系統中,網絡側和終端側存在固有的發射信號對接收信號的自干擾,現有的無線通信系統中,由于技術條件的限制,不能實現同時同頻的雙向通信,雙向鏈路都是通過時間或頻率進行區分的,對應于TDD和FDD方式.由于不能進行同時、同頻雙向通信,理論上浪費了一半的無線資源(頻率和時間)。由于全雙工技術理論上可提高頻譜利用率一倍的巨大潛力,可實現更加靈活的頻譜使用,同時由于器件技術和信號處理技術的發展,同頻同時的全雙工技術逐漸成為研究熱點,是5G系統充分挖掘無線頻譜資源的一個重要方向但全雙工技術同時也面臨一些具有挑戰性的難題.由于接收和發送信號之間的功率差異非常大,導致嚴重的自干擾(典型值為70dB),因此實現全雙工技術應用的首要問題是自干擾的抵消近年來,研究人員發展了各類干擾抵消技術,包括模擬端干擾抵消、對已知的干擾信號的數字端干擾抵消及它們的混合方式、利用附加的放置在特定位置的天線進行干擾抵消的技術等以及后來的一些改進技術通過這些技術的聯合應用,在特定的場景下,能消除大部分的自干擾。研究人員也開發了實驗系統,通過實驗來驗證全雙工技術的可行性。在部分條件下達到了全雙工系統理論容量的90%左右。雖然這些實驗證明了全雙工技術是可行的,但這些實驗系統都基本是單基站、小終端數量的,沒有對大量基站和大量終端的情況進行實驗驗證,并且現有結果顯示,全雙工技術并不能在所有條件下都獲得理想的性能增益。比如,天線抵消技術中需要多個發射天線,對大帶寬情況下的消除效果還不理想,并且大都只能支持單數據流工作,不能充分發揮MIMO、的能力,因此,還不能適用于MIMO系統；MIMO條件下的全雙工技術與半雙工技術的性能分析還大多是一些簡單的、面向小天線數的仿真結果的比較,特別是對大規模MIMO條件下的性能差異還缺乏深入的理論分析需要在建立更合理的干擾模型的基礎上對之進行深入系統的分析；目前,對全雙工系統的容量分析大多是面向單小區、用戶數比較少,并且是發射功率和傳輸距離比較小的情況,缺乏對多小區、大用戶數等條件下的研究結果,因此在多小區大動態范圍下的全雙工技術中的干擾消除技術、資源分配技術、組網技術、容量分析、與MIMO技術的結合,以及大規模組網條件下的實驗驗證,是需要深入研究的重要問題。4.2無線網絡技術（1）超密集異構網絡技術由于5G系統既包括新的無線傳輸技術,也包括現有的各種無線接入技術的后續演進,5G網絡必然是多種無線接入技術,如5G,4G,LTE,UMTS(universalmobiletelecommunicationssystem)和WiFi(wirelessfidelity)等共存,既有負責基礎覆蓋的宏站,也有承擔熱點覆蓋的低功率小站,如Micro,Pico,Relay和Femto等多層覆蓋的多無線接入技術多層覆蓋異構網絡在這些數量巨大的低功率節點中,一些是運營商部署,經過規劃的宏節點低功率節點；更多的可能是用戶部署,沒有經過規劃的低功率節點,并且這些用戶部署的低功率節點可能是OSG(opensubscribergroup)類型的,也可能是CSG(closedsubscribergroup)類型的,從而使得網絡拓撲和特性變得極為復雜。在超密集異構網絡中,網絡的密集化使得網絡節點離終端更近,帶來了功率效率、頻譜效率的提升,大幅度提高了系統容量,以及業務在各種接入技術和各覆蓋層次間分擔的靈活性。雖然超密集異構網絡展示了美好的前景,由于節點之間距離的減少,將導致一些與現有系統不同的問題。在5G網絡中,可能存在同一種無線接入技術之間同頻部署的干擾、不同無線接入技術之間由于共享頻譜的干擾、不同覆蓋層次之間的干擾,如何解決這些干擾帶來的性能損傷,實現多種無線接入技術、多覆蓋層次之間的共存,是一個需要深入研究的重要問題由于近鄰節點傳輸損耗差別不大,可能存在多個強度接近的干擾源,導致更嚴重的干擾,使現有的面向單個干擾源的干擾協調算法不能直接適用于5G系統；由于不同業務和用戶的QoS(qualityofservice)要求的不同,不同業務在網絡中的分擔、各類節點之間的協同策略、網絡選擇、基于用戶需求的系統能效最低的小區激活、節能配置策略是保證系統性能的關鍵問題。為了實現大規模的節點協作,需要準確、有效地發現大量的相鄰節點。由于小區邊界更多、更不規則,導致更頻繁、更為復雜的切換,難以保證移動性性能,因此,需要針對超密集網絡場景發展新的切換算法。由于用戶部署的大量節點的突然、隨機的開啟和關閉,使得網絡拓撲和干擾圖樣隨機、大動態范圍地動態變化,各小站中的服務用戶數量往往比較少,使得業務的空間和時間分布出現劇烈的動態變化,因此,需要研究適應這些動態變化的網絡動態部署技術；站點的密集部署將需要龐大、復雜的回傳網絡,如果采用有線回傳網絡,會導致網絡部署的困難和運營商成本的大幅度增加.為了提高節點部署的靈活性,降低部署成本,利用和接入鏈路相同的頻譜和技術進行無線回傳傳輸,是解決這個問題的一個重要方向.無線回傳方式中,無線資源不僅為終端服務,而且為節點提供中繼服務,使無線回傳組網技術非常復雜,因此,無線回傳組網關鍵技術,包括組網方式、無線資源管理等是重要的研究內容。（2）自組織網絡技術在傳統的移動通信網絡中,網絡部署、運維等基本依靠人工的方式,需要投入大量的人力,給運營商帶來巨大的運行成本。根據分析各大運營商的運營成本基本上占各自收入的70%左右。并且,隨著移動通信網絡的發展,依靠人工的方式難以實現網絡的優化.因此,為了解決網絡部署、優化的復雜性問題,降低運維成本相對總收入的比例,使運營商能高效運營、維護網絡,在滿足客戶需求的同時,自身也能夠持續發展,由NGMN(nextgenerationmobilenetwork)聯盟中的運營商主導,聯合主要的設備制造商提出了自組織網絡(SON)的概念自組織網絡的思路是在網絡中引入自組織能力(網絡智能化),包括自配置、自優化、自愈合等實現網絡規劃、部署、維護、優化和排障等各個環節的自動進行,最大限度地減少人工干預。目前,自組織網絡成為新鋪設網絡的必備特性,逐漸進入商用,并展現出顯著的優勢。5G將是融合、協同的多制式共存的異構網絡。從技術上看,將存在多層、多無線接入技術的共存,導致網絡結構非常復雜,各種無線接入技術內部和各種覆蓋能力的網絡節點之間的關系錯綜復雜,網絡的部署、運營、維護將成為一個極具挑戰性的工作。為了降低網絡部署、運營維護復雜度和成本,提高