射頻電路期終報(bào)告

5G技術(shù)及未來發(fā)展

Author:盛存鑫Number:2012301200240Major:通信工程Adviser:王才軍

2015年6月14日

5G技術(shù)及未來發(fā)展

電子信息學(xué)院盛存鑫2012301200240

June13,2015

1背景介紹

2013年初歐盟在第7框架計(jì)劃啟動了面向5G研發(fā)的METIS(mobileandwirelesscommunicationsen-

5G是面向2020年以后移動通信需求而發(fā)展的新ablersforthe2020informationsociety)項(xiàng)目,由包括我一代移動通信系統(tǒng).根據(jù)移動通信的發(fā)展規(guī)律,5G將國華為公司等29個(gè)參加方共同承擔(dān);韓國和中國分具有超高的頻譜利用率和能效,在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動通信提高一個(gè)量級或更高,其無線覆蓋性能、傳輸時(shí)延、系統(tǒng)安全和用戶體驗(yàn)也將得到顯著的提高.5G移動通信將與其他無線移動通信技術(shù)密切結(jié)合,構(gòu)成新一代無所不在的移動信息網(wǎng)絡(luò),滿足未來10年移動互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍的發(fā)

別成立了5G技術(shù)論壇和IMT-2020(5G)推進(jìn)組,我國863計(jì)劃也分別于2013年6月和2014年3月啟動了5G重大項(xiàng)目一期和二期研發(fā)課題.目前,世界各國正就5G的發(fā)展愿景、應(yīng)用需求、候選頻段、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及使能技術(shù)進(jìn)行廣泛的研討,力求在2015年世界無線電大會前后達(dá)成共識,并于2016年后啟動有關(guān)標(biāo)

展需求.5G移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也將進(jìn)一步擴(kuò)準(zhǔn)化進(jìn)程。展,對海量傳感設(shè)備及機(jī)器與機(jī)器(M2M)通信的支撐4G技術(shù)已經(jīng)使數(shù)據(jù)速率得到了一個(gè)很大的提高，能力將成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一.未來5G系統(tǒng)還須具備充分的靈活性,具有網(wǎng)絡(luò)自感知、自調(diào)整等

能實(shí)現(xiàn)靜止時(shí)1Gb/s記得速度和移動式100Mbit/s級傳輸速度，達(dá)到影像畫面清晰，無停止抖動的效果，但

智能化能力,以應(yīng)對未來移動信息社會難以預(yù)計(jì)的快這樣仍然不夠。5G將實(shí)現(xiàn)比4G快1000的網(wǎng)絡(luò)，用戶速變化.5G已經(jīng)成為國內(nèi)外移動通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).下載一部完整的電影需要的時(shí)間不到1秒鐘。

2013年初歐盟在第7框架計(jì)劃啟動了面向5G研發(fā)的METIS(mobileandwirelesscommunicationsen-ablersforthe2020informationsociety)項(xiàng)目,由包括我國華為公司等29個(gè)參加方共同承擔(dān);韓國和中國分別成立了5G技術(shù)論壇和IMT-2020(5G)推進(jìn)組,我國863計(jì)劃也分別于2013年6月和2014年3月啟動了5G重大項(xiàng)目一期和二期研發(fā)課題.目前,世界各國正就5G的發(fā)展愿景、應(yīng)用需求、候選頻段、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及使能技術(shù)進(jìn)行廣泛的研討,力求在2015年世界無線電大會前后達(dá)成共識,并于2016年后啟動有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

1

5G指的是第五代移動通信技術(shù)。與前四代不同，5G并不是一個(gè)單一的無線技術(shù)，而是現(xiàn)有的無線通信技術(shù)的一個(gè)融合。目前，LTE峰值速率可以達(dá)到100Mbps，5G的峰值速率將達(dá)到10Gbps，比4G提升了100倍?，F(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)處理自發(fā)能力有限，無法支持部分高清視頻、高質(zhì)量語音、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)等業(yè)務(wù)。5G將引入更加先進(jìn)的技術(shù)，通過更加高

25G概念及其特點(diǎn)

的頻譜效率、更多的頻譜資源以及更加密集的小區(qū)用戶、多天線、多小區(qū)協(xié)作組網(wǎng)作為突破的重點(diǎn),力等共同滿足移動業(yè)務(wù)流量增長的需求，解決4G網(wǎng)絡(luò)面臨的問題，構(gòu)建一個(gè)高速的傳輸速率、高容量、低時(shí)延、高可靠性、優(yōu)秀的用戶體驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)社會。

5G無線通信技術(shù)實(shí)際上就是無線互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

求在體系構(gòu)架上尋求系統(tǒng)性能的大幅度提高。

3)室內(nèi)移動通信業(yè)務(wù)已占據(jù)應(yīng)用的主導(dǎo)地位,5G室內(nèi)無線覆蓋性能及業(yè)務(wù)支撐能力將作為系統(tǒng)優(yōu)先設(shè)計(jì)目標(biāo),從而改變傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)”以大范圍覆

（見圖1），這個(gè)技術(shù)將支持OFDM（正交頻分復(fù)用）、蓋為主、兼顧室內(nèi)”的設(shè)計(jì)理念。MC-CDMA（多載波碼分多址）、LAS-CDMA（大區(qū)4)高頻段頻譜資源將更多地應(yīng)用于5G移動通信域同步碼分多址）、UWB（超寬帶）、NETWORK-系統(tǒng),但由于受到高頻段無線電波穿透能力的,無LMDS（區(qū)域多點(diǎn)傳輸服務(wù)）和IPv6（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）。線與有線的融合、光載無線組網(wǎng)等技術(shù)將被更為普事實(shí)上，IPv6是4G和5G技術(shù)的基礎(chǔ)協(xié)議。5G技術(shù)是一個(gè)完整的無線通信系統(tǒng)，沒有任何，所以我們將5G稱為真正無線世界.

遍地應(yīng)用。

5)可”軟”配置的5G無線網(wǎng)絡(luò)將成為未來的重要研究方向,運(yùn)營商可根據(jù)業(yè)務(wù)流量的動態(tài)變化實(shí)時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源,有效地降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的成本和能源的消耗。

5G性能指標(biāo):

對于5G需要滿足一些什么樣的指標(biāo)，工信部電信研究院選擇了體育場、辦公室、密集住宅區(qū)等場景，結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)、視頻點(diǎn)播等應(yīng)用進(jìn)行實(shí)例分析。對每一種場景下的不同應(yīng)用進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)無線技術(shù)成為應(yīng)用發(fā)展的制約因素。要在不同的場景下使用戶獲得良好的應(yīng)用體驗(yàn)，需要滿足以下指標(biāo)：

(1)5G的傳輸速率在4G的基礎(chǔ)上提高10-100倍，體驗(yàn)速率能夠達(dá)到0.11Gbps，峰值速率能夠達(dá)到10Gbps；

Figure1:1

當(dāng)前信息技術(shù)發(fā)展正處于新的變革時(shí)期,5G技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出新的如下特點(diǎn):

1)5G研究在推進(jìn)技術(shù)變革的同時(shí)將更加注重用戶體驗(yàn),網(wǎng)絡(luò)平均吞吐速率、傳輸時(shí)延以及對虛擬現(xiàn)實(shí)、3D、交互式游戲等新興移動業(yè)務(wù)的支撐能力等將成為衡量5G系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

2)與傳統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)理念不同,5G系統(tǒng)研經(jīng)典技術(shù)作為核心目標(biāo),而是從更為廣泛的多點(diǎn)、多

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(2)時(shí)延降低到4G的1/10或1/5，達(dá)到毫秒級水平；

(3)設(shè)備密集度能夠達(dá)到600萬個(gè)/平方公里；(4)流量密度能夠在20Tbps/平方公里以上；(5)移動性達(dá)到500km/h，實(shí)現(xiàn)高鐵環(huán)境下的良好用戶體驗(yàn)。

為了滿足上述性能指標(biāo)的要求，使用戶獲得良好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，除了以上的這些指標(biāo)外，能耗效率、頻譜效率及峰值速率等指標(biāo)也是重要的5G技術(shù)指標(biāo)，發(fā)展是5G移動通信的主要驅(qū)動力。

究將不僅僅把點(diǎn)到點(diǎn)的物理層傳輸與信道編譯碼等需要在5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮。移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃

移動互聯(lián)網(wǎng)將是未來各種新興業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)性業(yè)務(wù)平臺,現(xiàn)有固定互聯(lián)網(wǎng)的各種業(yè)務(wù)將越來越多地通過無線方式提供給用戶,云計(jì)算及后臺服務(wù)的廣泛應(yīng)用將對5G移動通信系統(tǒng)提出更高的傳輸質(zhì)量與系統(tǒng)容量要求。5G移動通信系統(tǒng)的主要發(fā)展目標(biāo)將是與其他無線移動通信技術(shù)密切銜接,為移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展提供無所不在的基礎(chǔ)性業(yè)務(wù)能力。按照目前業(yè)界的初步估計(jì),包括5G在內(nèi)的未來無線移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)能力的提升將在3個(gè)維度上同時(shí)進(jìn)行:

1)通過引入新的無線傳輸技術(shù)將資源利用率在4G的基礎(chǔ)上提高10倍以上;

3.15G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究現(xiàn)狀

目前，國際上多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織都已經(jīng)開始進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)及其架構(gòu)的研究工作。這其中，ITU（國際電信聯(lián)盟）從5G愿景、需求、頻譜等角度入手，NGMN（下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)）聯(lián)盟從5G愿景、需求、架構(gòu)、技術(shù)等多方面全面展開。歐洲在2012年成立了METIS，并在2014年2月成立5GPPP項(xiàng)目。韓國成立了5GForum項(xiàng)目，日本成立了2020&BeyondAdHoc項(xiàng)目。3GPP作為移動網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)最主要的制訂方，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)將是其國際組織的重點(diǎn)工作，目前業(yè)界預(yù)期將在R14開始啟動相關(guān)工作。我

2)通過引入新的體系結(jié)構(gòu)(如超密集小區(qū)結(jié)構(gòu)等)國IMT-2020網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工作組中的國內(nèi)運(yùn)營商、研究和更加深度的智能化能力將整個(gè)系統(tǒng)的吞吐率提高機(jī)構(gòu)、設(shè)備商已經(jīng)開始著手這方面的討論。25倍左右;

3)進(jìn)一步挖掘新的頻率資源(如高頻段、毫米波

從這些研究來看，目前5G的研究仍處于需求制定和空中接口技術(shù)攻關(guān)階段，尚未提出明確的網(wǎng)絡(luò)

與可見光等),使未來無線移動通信的頻率資源擴(kuò)展架構(gòu)。但在5G架構(gòu)設(shè)計(jì)的需求以及可能的技術(shù)方面

，已經(jīng)形成了一些共識。在需求方面，普遍將靈活、4倍左右。

高效、支持多樣業(yè)務(wù)、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)等作為設(shè)計(jì)目標(biāo)；在技術(shù)方面，SDN、NFV等成為可能的基礎(chǔ)技術(shù)，核心網(wǎng)與接入網(wǎng)融合、移動性管理、策略管理、

35G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著4G網(wǎng)絡(luò)商用部署規(guī)模的迅速擴(kuò)展，其對當(dāng)

網(wǎng)絡(luò)功能重組等成為值得進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問題。

3.25G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要解決的關(guān)鍵問題

3.2.1集中或分布的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

集中與分布的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一直是爭論的焦點(diǎn)。二者在業(yè)界中的應(yīng)用也是此消彼長，交替上升。從互聯(lián)網(wǎng)角度來看，從最初的C/S到分布式P2P應(yīng)用，再務(wù)發(fā)展及設(shè)備處理能力的所造成的。以人為例，的系統(tǒng)。大腦負(fù)責(zé)對各個(gè)器官及肢體所收集的信息進(jìn)行處理及管理。如果說之前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)中由方式，那么云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展將使得中心處理和優(yōu)3

前移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)及人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊懙玫竭M(jìn)一步體現(xiàn)。5G移動通信系統(tǒng)的研發(fā)隨之被迅速提上日程，5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)功能、組織、管理等有著重要的影響。相對于接入網(wǎng)技術(shù)中2G、3G、LTE的變革，核心網(wǎng)主要經(jīng)歷了IP化、控制和承載分率提升空間受限于香農(nóng)極限，業(yè)界逐漸認(rèn)識到，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的創(chuàng)新也是5G的關(guān)鍵推動力之一。為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)速度更快、時(shí)延更低、連接更多、效率更等進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)。

離、分組化的變革。由于頻譜資源稀缺以及頻譜效到云計(jì)算中心等，其看似不同的發(fā)展思路其實(shí)是業(yè)需求的實(shí)現(xiàn)，除了需要空中接口技術(shù)的突破以外，人本身是一個(gè)完美的集中控制、分布式處理和感知

高的愿景，有必要對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)元功能形態(tài)于設(shè)備處理能力的，不得不使用分布式處理的

化成為可能。Google最新的”仙女座（Andromeda）”項(xiàng)目，采用集中控制的方式，提供虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如圖2所示。目前，Google在全球約有40個(gè)數(shù)據(jù)中心。Google杰出工程師AminVahda表示”已經(jīng)看到邏輯集中及分層的控制與分布式的數(shù)據(jù)面比全分布更優(yōu)”，并且”目前很確信，通過明智地發(fā)揮集中而不是分布式的管理方式，建設(shè)一個(gè)本質(zhì)上更有效的系統(tǒng)”。Google的幾個(gè)關(guān)鍵服務(wù)系統(tǒng)均采用這種架構(gòu)，如GFS數(shù)據(jù)處理平臺、BigTable、B4WAN網(wǎng)絡(luò)。

Figure3:3

3.2.2接入網(wǎng)及核心網(wǎng)的界限

”無線接入網(wǎng)”+”核心網(wǎng)”是移動網(wǎng)的傳統(tǒng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)總體向著簡化、扁平化的方向演進(jìn)。接入

Figure2:2

網(wǎng)按照不同階段有2G（GERAN）、3G（UTRAN）、LTE（E-UTRAN）之分；而核心網(wǎng)又有電路交換核心網(wǎng)（CS域）、分組核心網(wǎng)（PS域）、IMS核心網(wǎng)之

借鑒IT公司的組網(wǎng)模式，無線網(wǎng)設(shè)計(jì)了集中式基帶池的架構(gòu)，如圖2所示。通過對無線網(wǎng)元間的協(xié)作化分析可知，BBU的集中程度越高，實(shí)時(shí)處理

分。對接入網(wǎng)來說，不同階段除了空中接口革新外，其架構(gòu)也更加扁平化，LTE網(wǎng)絡(luò)中的NodeB節(jié)點(diǎn)與RNC節(jié)點(diǎn)融合為單一的eNodeB節(jié)點(diǎn)。核心網(wǎng)經(jīng)歷

效率就越高、協(xié)作化增益越大，更易減少重疊覆蓋的了從僅有電路域，到電路域與分組域并存，再到僅有

干擾。另一方面，從傳輸來看，BBU越集中對傳輸分組域的變化歷程。但到目前，移動網(wǎng)絡(luò)一直延續(xù)成本的要求也越高。無線網(wǎng)如此，核心網(wǎng)的控制與轉(zhuǎn)著無線接入網(wǎng)+核心網(wǎng)的分層架構(gòu)。發(fā)也是如此。

事實(shí)上，網(wǎng)絡(luò)扁平化的研究中，已經(jīng)對接入網(wǎng)和

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)是計(jì)算、優(yōu)化及傳輸成本的折

核心網(wǎng)的功能融合有所討論，如業(yè)界曾經(jīng)設(shè)計(jì)和實(shí)

中。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是采用集中式架構(gòu)還是分布式架構(gòu)，現(xiàn)的”三合一”、”四合一”節(jié)點(diǎn)等。目前無線接入網(wǎng)和以何種程度集中控制或分布化，是5G架構(gòu)設(shè)計(jì)需要核心網(wǎng)的功能已經(jīng)有了融合的跡象?？紤]的問題。

4

IP化、扁平化使得核心網(wǎng)的功能開始融入接入

網(wǎng)。以本地IP接入（localIPaccess，LIPA）和中繼（relay）為代表的技術(shù)，將核心網(wǎng)的功能進(jìn)行了融合。在LIPA架構(gòu)中，PGW的功能被集成在HeNB上，實(shí)現(xiàn)了地址分配、路由的核心網(wǎng)功能與無線接入功能的融合。而在3GPPR10定義的中繼功能中，為中繼節(jié)點(diǎn)提供接入的DeNB是具有核心網(wǎng)功能的三合一節(jié)點(diǎn)，對中繼來說它是一個(gè)基站，且同時(shí)集成中繼節(jié)點(diǎn)的SGW及PGW功能。

集中化、虛擬化將使得接入網(wǎng)的功能上移到核心域。接入網(wǎng)功能上移最主要的驅(qū)動力是集中處理和優(yōu)化需求。以C-RAN為代表的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其基帶處理等計(jì)算工作可在IT數(shù)據(jù)中心進(jìn)行，這使得其與

核心網(wǎng)控制面共享計(jì)算資源成為可能。此外，接入網(wǎng)重傳次數(shù)等工作模式實(shí)現(xiàn)低時(shí)延，從多接入點(diǎn)獲取的連接管理、協(xié)議和信令、SON的功能可上移，與數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高帶寬。核心網(wǎng)的移動性管理及連接管理功能融合優(yōu)化。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，接入網(wǎng)和核心網(wǎng)以何種形式存在，甚至

（2）進(jìn)行針對性協(xié)議優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)協(xié)議的定制化物聯(lián)網(wǎng)（M2M）、智能家居場景對網(wǎng)絡(luò)的需求可

Figure4:4

是否還存在核心網(wǎng)、是否還有接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的區(qū)能是極低移動性、大用戶量、低速率、高節(jié)能?？?p>分，這是有待研究和回答的問題。針對性地進(jìn)行協(xié)議的裁剪，實(shí)現(xiàn)輕量級的移動性管

理、連接管理，實(shí)現(xiàn)協(xié)議的定制化。無線側(cè)從單接

3.2.3

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建或功能配置

5G時(shí)期，蜂窩網(wǎng)和生產(chǎn)生活中的各領(lǐng)域結(jié)合得

入點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)。

到底是采用網(wǎng)絡(luò)定制還是協(xié)議定制，是通過網(wǎng)

更廣泛，物聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、高鐵、露天集會、超高絡(luò)功能的組件化實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的按需構(gòu)建，還是通過協(xié)清、3D、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、云桌面等越來越多的應(yīng)用場景議裁剪實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配置的定制化，需要架構(gòu)上系和業(yè)務(wù)形式將成為可能。這些業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景的特統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)。性不同，對網(wǎng)絡(luò)的要求也有巨大的差別，如何以更靈活的方式組網(wǎng)以滿足每種場景的需求，是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的重要挑戰(zhàn)。按需實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活構(gòu)建和功能配置或許是解決此問題的技術(shù)路線之一。圖4給出了相關(guān)的示例。

1）靈活的組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的定制化

企業(yè)網(wǎng)要求提供”本地”硬盤式的用戶體驗(yàn)，要求

45G移動通信關(guān)鍵技術(shù)

為提升其業(yè)務(wù)支撐能力,5G在無線傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面將有新的突破。在無線傳輸技術(shù)方面,將引入能進(jìn)一步挖掘頻譜效率提升潛力的技術(shù),如先進(jìn)的多址接入技術(shù)、多天線技術(shù)、編碼調(diào)制技術(shù)、新

網(wǎng)絡(luò)提供低時(shí)延、高帶寬和私有網(wǎng)絡(luò)的保證。移動的波形設(shè)計(jì)技術(shù)等;在無線網(wǎng)絡(luò)方面,將采用更靈活、性管理、地址分配、流量管理等可在接入側(cè)以專網(wǎng)的更智能的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù),如采用控制與轉(zhuǎn)發(fā)分形式實(shí)現(xiàn)，從而降低回傳網(wǎng)時(shí)延，并實(shí)現(xiàn)流量本地分離的軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)、統(tǒng)一的自組織網(wǎng)絡(luò)流，可直接訪問本地辦公網(wǎng)。無線側(cè)通過啟用較低(SON)、異構(gòu)超密集部署等。

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5G移動通信標(biāo)志性的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在超高效能的無線傳輸技術(shù)和高密度無線網(wǎng)絡(luò)(highden-sitywirelessnetwork)技術(shù)。其中基于大規(guī)模MIMO的無線傳輸技術(shù)將有可能使頻譜效率和功率效率在4G的基礎(chǔ)上再提升一個(gè)量級,該項(xiàng)技術(shù)走向?qū)嵱没闹饕款i問題是高維度信道建模與估計(jì)以及復(fù)雜度控制。全雙工(fullduplex)技術(shù)將可能開辟新一代移動通信頻譜利用的新格局。超密集網(wǎng)絡(luò)(ultradensenetwork,UDN)已引起業(yè)界的廣泛關(guān)注,網(wǎng)絡(luò)協(xié)同與干擾管理將是提升高密度無線網(wǎng)絡(luò)容量的核心關(guān)鍵問題。

體系結(jié)構(gòu)變革將是新一代無線移動通信系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。現(xiàn)有的扁平化SAE/LTE(systemar-chitectureevolution/longtermevolution)體系結(jié)構(gòu)促進(jìn)了移動通信系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)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(jìn)的進(jìn)一步發(fā)展趨勢,而內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(CDN)向核心網(wǎng)絡(luò)的邊緣部署,可有效減少網(wǎng)絡(luò)訪問路由的負(fù)荷,并顯著改善移動互聯(lián)網(wǎng)用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

1)超密集組網(wǎng):未來網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步使現(xiàn)有的小區(qū)結(jié)構(gòu)微型化、分布化,并通過小區(qū)間的相互協(xié)作,化干擾信號為有用信號,從而解決小區(qū)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量。

2)智能化:未來網(wǎng)絡(luò)將在已有SON技術(shù)的基礎(chǔ)

型門戶網(wǎng)站,在未來的5G網(wǎng)絡(luò)中采用CDN技術(shù)將是提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的重要潛在手段。

4.1超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署

為應(yīng)對未來持續(xù)增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署將會成為當(dāng)前無線通信發(fā)展所面臨挑戰(zhàn)的一種解決方案。例如，能夠解決5G中提出的無線數(shù)據(jù)速率提高1000倍的問題，提高空間譜利用率及增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋等問題。

未來5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)將從傳統(tǒng)的移動蜂窩方式轉(zhuǎn)向分布式的、異構(gòu)的新型通信方式，網(wǎng)絡(luò)種類繁多。密集組網(wǎng)下的LTE-B異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署場景如圖3所示，小區(qū)的部署更加密集，單個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍大大縮小。如圖3中，將Macro作為網(wǎng)絡(luò)的基石，Pico-cell，F(xiàn)emtocell和Ｒelay等低功率基站則用來消除只有Macrocell時(shí)的覆蓋盲區(qū)，能有效分擔(dān)宏蜂窩的負(fù)擔(dān)，提供低時(shí)延、高可靠的用戶體驗(yàn)。然而，此種架構(gòu)會引發(fā)嚴(yán)重的干擾問題。產(chǎn)生干擾的原因有用戶自定義部署，封閉的接入方式，不同設(shè)備發(fā)送功率的差異等。

層內(nèi)層間干擾越來越復(fù)雜，因此需要進(jìn)行有效的干擾管理和干擾協(xié)調(diào)抑制。3GPP提出了ICIC(intercellinferencecoordination)標(biāo)準(zhǔn)，從功率控制、時(shí)域和頻域3個(gè)層面來減輕密集網(wǎng)絡(luò)帶來的干擾?；?p>上,具備更為廣泛的感知能力和更為強(qiáng)大的自優(yōu)化能于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽的功率控制技術(shù)，雖簡單容易實(shí)現(xiàn)，但力,通過感知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及用戶業(yè)務(wù)需求,在異構(gòu)環(huán)境是有很多參數(shù)難以確定，無法保證優(yōu)良的性能指標(biāo);下為用戶提供最佳的服務(wù)體驗(yàn)。

3)可編程:未來網(wǎng)絡(luò)將具備軟件可定義(SDN)能力,數(shù)據(jù)平面與控制平面將進(jìn)一步分離,集中控制、分布控制或兩者的相互結(jié)合,將是網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)發(fā)展中需要解決的技術(shù)路線問題;基站與路由交換等基礎(chǔ)設(shè)施具備可編程與靈活擴(kuò)展能力,以統(tǒng)一融合的平臺適應(yīng)各種復(fù)雜的及不同規(guī)模的應(yīng)用場景。

4)內(nèi)容分發(fā)邊緣化部署:移動終端訪問的內(nèi)容雖然呈海量化趨勢,但大部分集中在一些熱點(diǎn)內(nèi)容和大

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為了有效控制小蜂窩之間的下行干擾，東南大學(xué)特別針對密集部署的小蜂窩覆蓋網(wǎng)絡(luò)，提出一種基于兩級分組結(jié)合功率控制和協(xié)作聯(lián)合傳輸?shù)母蓴_控制方法來提升網(wǎng)絡(luò)整體性能;基于ABS(almostblanksubframe)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)方案，在吞吐量方面比功率控制技術(shù)有明顯提高，但是小區(qū)的頻繁切換和跟蹤區(qū)域不斷更新，對MUE(macrouserequipment)，HUE(homeuserequipment)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性提出了挑戰(zhàn);為了使網(wǎng)絡(luò)速率達(dá)到最

大化，利用電波傳播中的路徑損耗特性，提出了異們對近距離數(shù)據(jù)通信的需求逐漸增加。然而，目前的構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中多用戶共享幅度空間及主動式干擾消除方蜂窩系統(tǒng)存在覆蓋、容量和功耗等方面的問題(特別法;基于智能天線的干擾消除，有學(xué)者提出的基于3D波束形成天線的聯(lián)合處理協(xié)同多點(diǎn)傳輸(co-ordinated解決了Intercell干擾問題，提高了邊緣小區(qū)UE(user是必須在基站中配置這種新型天線。

是在近距離本地通信業(yè)務(wù)中)，并且缺乏足夠的靈活性，難以完全滿足不同業(yè)務(wù)在實(shí)時(shí)性和可靠性方面的通信很有必要。D2D通信作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一，對現(xiàn)大幅度的無線數(shù)據(jù)流量增長、降低功耗、增強(qiáng)實(shí)時(shí)性和可靠性。D2D通信是一種短距離通信，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在終端間的直接傳輸。蜂窩網(wǎng)中的D2D通信示意如圖4所示。

multiplepointstransmission/reception，CoMP)方法，獨(dú)特需求。因此，在5G中研究D2D(devicetodevice)equipment)的性能，同時(shí)不需要任何的信令開銷，但蜂窩通信起到必不可少的支撐和補(bǔ)充作用，能夠?qū)?p>Figure5:5

上述方法都是利用兩小區(qū)協(xié)作來解決干擾問題。但是未來5G網(wǎng)絡(luò)，多網(wǎng)并存，可能存在多小區(qū)協(xié)作。而且，頻譜資源越來越稀缺，可能沒有足夠多的頻段可以進(jìn)行分配，所以未來提出的干擾消除方法應(yīng)該盡可能的提高資源效率。5G網(wǎng)絡(luò)中擬研究的內(nèi)容有:

1)密集多小區(qū)場景時(shí)基于干擾協(xié)調(diào)的干擾除方法。

2)密集多小區(qū)場景時(shí)能量與頻譜高效協(xié)作的波束成形方法。通過超密集異構(gòu)部署提升容量，是目前最直觀的方法，也是國內(nèi)外各研究組織重點(diǎn)研究對象。

Figure6:6

D2D的通信特點(diǎn)在節(jié)省資源、減小干擾、提升傳輸效率、降低傳輸成本等方面有巨大優(yōu)勢。D2D通信已經(jīng)在LTE-A的Ｒ12版本中獲得正式立項(xiàng)，3GPP計(jì)劃在Ｒ13版本(2015年結(jié)束)之前完成D2D在一些典型場景下的標(biāo)準(zhǔn)化工作。國內(nèi)企業(yè)也比較關(guān)注D2D。早在2004年左右，Philips公司基于TD-SCDMA系統(tǒng)，討論了蜂窩控制下的P2P技術(shù)，這是最接近于D2D的通信方式，但只適用于TD-SCDMA系統(tǒng)。2008年8月召開的3GPP會議上，Motorola公司提出并討論了D2D通信技術(shù)。華為、NOKIA等公7

4.2D2D通信

目前，社交網(wǎng)絡(luò)、本地廣告等應(yīng)用的流行使得人

司近年來也一直致力于此項(xiàng)技術(shù)的研究，發(fā)表了許多技術(shù)文獻(xiàn)和專利。

GPP擬定的D2D技術(shù)對D2D的通信控

3)干擾抑制問題:為了解決多小區(qū)D2D通信的干擾抑制問題，在合理分配資源前需要對全局信道狀態(tài)信息(channelstateinformation，CSI)有準(zhǔn)確的了

制、干擾協(xié)調(diào)、資源分配、功率控制等一些關(guān)鍵技解。目前的基站協(xié)作技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，但術(shù)有比較深入地研究。當(dāng)前業(yè)界對于D2D通信技術(shù)是還存在著精確度與能耗等方面的問題，需要找到的研究，主要集中在D2D發(fā)送功率控制以及資源分配等方面。對D2D技術(shù)的研究，重點(diǎn)集中在移動網(wǎng)

一個(gè)既能適用于支持D2D多小區(qū)通信資源分配，又可以達(dá)到節(jié)省能耗的基站協(xié)作技術(shù)方案。因此如何

絡(luò)和D2D混合通信系統(tǒng)中資源分配和干擾協(xié)調(diào)問題解決這些問題，更好地支持D2D通信技術(shù)，達(dá)到綠上。一些學(xué)者提出了一個(gè)”D2D對”和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶之色通信的目的將會是未來研究的技術(shù)難點(diǎn)。間的資源共享方式，另一些提出了有效的干擾抑制算法，這些方法可以有效地解決資源分配和干擾協(xié)4.3調(diào)問題，但是現(xiàn)有基站協(xié)作方法所存在的開銷大、實(shí)現(xiàn)困難等問題尚有待解決;有學(xué)者提出了2種有效的干擾協(xié)調(diào)機(jī)制:一種是通過干擾跟蹤方式控制網(wǎng)絡(luò)用戶對D2D的干擾，另一種是通過可容忍的干擾廣播方式控制D2D對網(wǎng)絡(luò)用戶的干擾;利用多天線技術(shù)來有效控制干擾，提出在基站側(cè)采用迫零算法，這樣可以完全消除基站對D2D的干擾;同濟(jì)大學(xué)針對LTE系統(tǒng)引入D2D通信技術(shù)后對所面臨的資源分配問題進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，利用粒子群優(yōu)化理論對該系統(tǒng)下的模式選擇與資源分配進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，達(dá)到了預(yù)期的效果。上述方法雖然能夠解決現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)中D2D通信問題，但5G中仍有一些待解決的問題:

大規(guī)模MIMO

多天線技術(shù)作為提高系統(tǒng)頻譜效率和傳輸可靠

性的有效手段,已經(jīng)應(yīng)用于多種無線通信系統(tǒng),如3G系統(tǒng)、LTE、LTE-A、WLAN等。根據(jù)信息論,天線數(shù)量越多,頻譜效率和可靠性提升越明顯。尤其是,當(dāng)發(fā)射天線和接收天線數(shù)量很大時(shí),MIMO信道容量將隨收發(fā)天線數(shù)中的最小值近似線性增長。因此,采用大數(shù)量的天線,為大幅度提高系統(tǒng)的容量提供了一個(gè)有效的途徑。由于多天線所占空間、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等技術(shù)條件的,目前的無線通信系統(tǒng)中,收發(fā)端配置的天線數(shù)量都不多,比如在LTE系統(tǒng)中最多采用了4根天線,LTE-A系統(tǒng)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(shù)

1)D2D通信的無線資源管理問題:何時(shí)啟用D2D的MIMO系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究吸引了研究人員的關(guān)通信模式，D2D通信如何與蜂窩通信共享資源，是注,如單個(gè)小區(qū)情況下,基站配有大大超過移動臺天采用正交的方式，還是復(fù)用的方式，是復(fù)用系統(tǒng)的上線數(shù)量的天線的多用戶MIMO系統(tǒng)的研究等。進(jìn)而,行還是下行資源，這些問題都增加了D2D輔助通信2010年,貝爾實(shí)驗(yàn)室的Marzetta研究了多小區(qū)、TDD系統(tǒng)資源調(diào)度的復(fù)雜性和對用戶的干擾，直接影響(timedivisionduplexing)情況下,各基站配置無限數(shù)量到用戶體驗(yàn)。所以研究基于D2D通信的資源分配優(yōu)天線的極端情況的多用戶MIMO技術(shù),提出了大規(guī)模化調(diào)度算法具有非常重要的意義。

2)實(shí)時(shí)性和可靠性問題:在未來5G網(wǎng)絡(luò)中，通在D2D通信過程中，如何根據(jù)用戶需求和服務(wù)類型滿足設(shè)備之間通信的實(shí)時(shí)性和可靠性，是D2D技術(shù)中的研究內(nèi)容之一。

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MIMO(largescaleMIMO,或者稱MassiveMIMO)的概念，發(fā)現(xiàn)了一些與單小區(qū)、有限數(shù)量天線時(shí)的不同配置有限天線數(shù)量的情況。在大規(guī)模MIMO中,基站配置數(shù)量非常大(通常幾十到幾百根,是現(xiàn)有系統(tǒng)天線數(shù)量的1?2個(gè)數(shù)量級以上)的天線,在同一個(gè)時(shí)頻

信時(shí)延和可靠性將是評價(jià)通信性能好壞的指標(biāo)之一。特征。之后,眾多的研究人員在此基礎(chǔ)上研究了基站

資源上同時(shí)服務(wù)若干個(gè)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(gè)基站上,形成集中式的大規(guī)模MIMO,也可以是分布式地配置在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上,形成分布式的大規(guī)模MIMO。值得一提的是,我國學(xué)者在分布式MIMO的研究一直走在國際的前列。

大規(guī)模MIMO帶來的好處主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

第一,大規(guī)模MIMO的空間分辨率與現(xiàn)有MIMO相比顯著增強(qiáng),能深度挖掘空間維度資源,使得網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)用戶可以在同一時(shí)頻資源上利用大規(guī)模MIMO提供的空間自由度與基站同時(shí)進(jìn)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(guī)模MIMO可將波束集中在很窄的范圍內(nèi),從而大幅度降低干擾。

第三,可大幅降低發(fā)射功率,從而提高功率效率。第四,當(dāng)天線數(shù)量足夠大時(shí),最簡單的線性預(yù)編碼和線性檢測器趨于最優(yōu),并且噪聲和不相關(guān)干擾都可忽略不計(jì)。

近兩年針對大規(guī)模MIMO技術(shù)的研究工作主要碼技術(shù)、信道估計(jì)與信號檢測技術(shù)等方面,但還存在一些問題:由于理論建模和實(shí)測模型工作較少,還沒有被廣泛認(rèn)可的信道模型;由于需要利用信道互易性減少信道狀態(tài)信息獲取的開銷,目前的傳輸方案大都假設(shè)采用TDD系統(tǒng),用戶都是單天線的,并且其數(shù)量加,開銷較大,信號檢測和預(yù)編碼都需要高維矩陣運(yùn)算,復(fù)雜度高,并且由于需要利用上下行信道的互易duplexing)系統(tǒng);在分析信道容量及傳輸方案的性能時(shí),大都假設(shè)同分布信道,從而認(rèn)為導(dǎo)頻污染是大規(guī)模MIMO的瓶頸問題,使得分析結(jié)果存在明顯的局限性,等等。因此,為了充分挖掘大規(guī)模MIMO的

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潛在技術(shù)優(yōu)勢,需要深入研究符合實(shí)際應(yīng)用場景的信道模型,分析其對信道容量的影響,并在實(shí)際信道模型、適度的導(dǎo)頻開銷、可接受的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度下,分析其可達(dá)的頻譜效率、功率效率,并研究最優(yōu)的無線傳輸方法、信道信息獲取方法、多用戶共享空間無線資源的聯(lián)合資源調(diào)配方法。

針對以上問題的研究,存在諸多的挑戰(zhàn),但隨著研究的深入,大規(guī)模MIMO在5G中的應(yīng)用被寄予了厚望,可以預(yù)計(jì),大規(guī)模MIMO技術(shù)將成為5G區(qū)別于現(xiàn)有系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。

4.4高頻傳輸技術(shù)

由于各類無線通信和無線應(yīng)用的快速發(fā)展，各國的低頻段頻譜資源都已經(jīng)十分緊張，很難找到適合5G技術(shù)應(yīng)用的新頻段。同時(shí)，為了保證5G技術(shù)所需要的更大傳輸帶寬，各種射頻器件也勢必要調(diào)整到更好的工作頻率上。因此，未來5G技術(shù)須向高頻段擴(kuò)展，尤其是毫米波頻段，該頻段頻譜資源豐富，具有連續(xù)的大帶寬，可以滿足短距離高速傳輸?shù)男枨蟆?p>目前，各大通信企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都在積極進(jìn)行相37GHz頻段的信道傳播特性進(jìn)行了信道測量，并研發(fā)了基于28GHz頻段的系統(tǒng)設(shè)備樣機(jī)，經(jīng)過實(shí)地驗(yàn)證，樣機(jī)已經(jīng)達(dá)到了1Gbit/s的下載速率，證明了高頻段在移動通信特定場景下應(yīng)用的可行性。

但是，由于電磁傳播的特性，高頻傳輸目前還面高的電磁波路徑損耗越大。例如，60GHz的電磁波路徑損耗要比5GHz的電子波高出20多個(gè)dB。同時(shí)，與用戶間的直視徑受到阻擋，傳輸性能將顯著下降。另外，高頻段器件的技術(shù)難度較大，相關(guān)工藝還不成熟，因此，高頻段相關(guān)器件較少且價(jià)格較貴，給高頻段通信帶來很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

集中在信道模型、容量和傳輸技術(shù)性能分析、預(yù)編關(guān)研究工作。例如，韓國三星公司已經(jīng)對28GHz和

遠(yuǎn)小于基站天線數(shù)量。導(dǎo)頻數(shù)量隨用戶數(shù)量線性增臨很多實(shí)際的困難。由于空氣的吸收作用，頻段越

性,難以適應(yīng)高速移動場景和FDD(frequencydivision高頻段傳輸以直射路徑為主，繞射能力較差，當(dāng)基站

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5.1

5G技術(shù)發(fā)展趨勢

網(wǎng)絡(luò)融合

網(wǎng)絡(luò)融合充分利用已有的資源，節(jié)約成本，正符

5.3技術(shù)創(chuàng)新

頻率資源有限但是需求無限，這就決定了固定頻率分配不再適用。如果可以動態(tài)感知業(yè)務(wù)狀況，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、使用頻率，對空閑頻段加以利用，就能大大提高頻譜使用率，這就是感知無線電技術(shù)。未來5G需要最大可能的提高頻譜效率。

傳統(tǒng)移動通信主要集中在3GHz以下的頻段，移動性較好，但是3GHz畢竟有限，早已擁擠不堪，而在高頻段還有大量資源等待開發(fā)。眼下，小覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大多在3GHz到6GHz之間，未來需要在6GHz及以上頻段，來滿足日益增長的容量，速率需求。

合通信移動系統(tǒng)的可持續(xù)性要求。5G將更加促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)融合的趨勢，包括：不同領(lǐng)域的跨界融合，多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的融合以及2G,3G,4G的網(wǎng)絡(luò)融合。

通信技術(shù)與信息，電子技術(shù)不可分離，跨界融合在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)效果以及終端、應(yīng)用方面都有一定影響。而無線業(yè)務(wù)也早已普及開來，電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)深入生活，衛(wèi)星通信與地面移動融合、寬帶接入與移動蜂窩融合，都給人們提供更豐富的服務(wù)。移動通信網(wǎng)絡(luò)方面，2G，3G主要是語音業(yè)務(wù)，4G的TDD、FDD主要承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，WLAN使承載移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的重要補(bǔ)充。彼此之間優(yōu)勢互補(bǔ)，充分融合能實(shí)現(xiàn)低成本高效率的均衡發(fā)展。

6結(jié)束語

按照移動通信的發(fā)展規(guī)律,5G技術(shù)將在2020年之后實(shí)現(xiàn)商用,其基本發(fā)展目標(biāo)是滿足未來移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)飛速增長的需求,并為用戶帶來新的業(yè)務(wù)體

5.2LTE與LTE-A的進(jìn)一步演進(jìn)

LTE、LTE-A作為4G的主導(dǎo)技術(shù)，大大改善了網(wǎng)

驗(yàn)。5G技術(shù)的研究尚處于初期階段,今后幾年將是確定其技術(shù)需求、關(guān)鍵指標(biāo)和使能技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)期。5G移動通信系統(tǒng)容量的提升將從頻譜效率的進(jìn)一步提高、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變革和新型頻譜資源開發(fā)與利用

絡(luò)性能，對5G的研究意義重大。LTE最主要特征是

多天線技術(shù)，他的發(fā)展有可能使得頻譜效率提高數(shù)技術(shù)等途徑加以實(shí)現(xiàn),將派生出一系列新的無線移動十倍。有源天線基礎(chǔ)上分離垂直方向的多陣子，引通信核心支撐關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合5G移動通信的最新發(fā)入有源天線陣列，實(shí)現(xiàn)3D-MIMO，支持多波束智能

展趨勢,本文對富有發(fā)展前景的5G移動通信系統(tǒng)若

賦形、多用戶服用，并且互相干擾減小。而Massive干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了評述,并對國內(nèi)移動通信的研發(fā)活MIMO技術(shù)與時(shí)空編碼的結(jié)合，很大程度上提高空間動和推進(jìn)目標(biāo)進(jìn)行了介紹。隨著研究的不斷深入,5G復(fù)用效率，系統(tǒng)容量提升。

目前產(chǎn)業(yè)認(rèn)為達(dá)到5G目標(biāo)需要使無線網(wǎng)絡(luò)容量增加1000倍。粗略的來講，需要使頻譜效率增加6倍，帶寬增加3倍，網(wǎng)絡(luò)密度增加56倍。

5G可能采用大規(guī)模的MIMO技術(shù)、同頻全雙工技術(shù)等提高頻譜效率；開發(fā)高頻段通信，利用寬載波來增加帶寬；廣泛應(yīng)用小基站等等來增加網(wǎng)絡(luò)密集度。

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關(guān)鍵支撐技術(shù)將逐步得以明確,并在未來幾年內(nèi)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的標(biāo)準(zhǔn)化研究與制定階段。

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