【学术论文】第五代移动通信系统的研究分析

摘要：

 较详尽地叙述了第五代移动通信（5G）应具有的基本特点，分析了对其需求以及发展线路，对5G网络架构进行研究，并根据移动通信技术的发展规律研究了其可能用到的关键技术；最后提出提高5G无线网络容量的研究方向以及采用到的关键技术

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0 引言

　　从第一代移动通信（1G）到目前的第四代移动通信技术（4G)，通信技术发生了翻天覆地的改进。1G主要是语音通信，2G在语音通信的基础上有了一定量的数据业务，3G业务使无线通信和因特网联系在一起，4G通信的数据量更大。但是，现在通信技术无法满足日益增长的数据量，因此5G技术的发展将是不可避免的。本文将介绍5G的基本特点、发展线路、网络架构以及提高5G网络容量的方法，对5G的研究具有重要意义。

1 5G特点

　　5G网络包括五大应用场景：随时随地最佳体验；支持大规模人群；超高速场景；超可靠的实时连接；无处不在的物物通信。5G有以下特点：

　　(1)相对于4G网络，5G网络峰值速率需要提升10倍，达到10 Gb/s以上。

　　(2)相对于4G网络，时延超低和可靠性高，业务时延小于5 ms，可实现450 km/h高速环境下通信。

　　(3)相对于4G网络，5G网络频谱利用率高，而且平均频谱效率需要提升5～10倍，将利用演进及频率倍增或压缩等创新技术提升频率利用率[1]。

　　(4)一般用户可获得10 Mb/s速率，特殊用户达到100 Mb/s。

　　(5)联网移动设备数量增加到现在的100倍，网络容量提升1 000倍。

　　(6)更加绿色节能的5G系统，通信能源消耗将是目前网络的十分之一。

2 5G发展线路

　　图１简略描述了5G技术的主要发展线路，从移动通信发展现状以及技术、标准与产业的演进趋势来看，演进、融合和创新是面向未来5G技术标准发展的3大路线。

　　(1)主要演进路线

　　首先，以LTE/LTE-Advanced为代表的蜂窝演进路线。LTE/LTE-Advanced已经是事实上的全球统一的4G标准，并将会在5G阶段继续演进。从频分/时分和宽带码分多址变化为正交频分多址接入，演进到5G时，可能采用非正交多址接入技术。这个演进方向主要提高了资源的利用效率[2]。

　　其次，以WLAN等无线技术为方向的演进。WLAN是当今全球应用最为普及的宽带无线接入技术之一，下一代WLAN标准“High-efficiency WLAN”的研究，将进一步提升运营商业务能力，推动WLAN技术与蜂窝网络的融合。

　　最后，以小蜂窝技术为方向的演进。蜂窝覆盖范围逐渐减小，蜂窝覆盖范围的缩小已经是未来网络发展的一个趋势，特别是在高度商业化地区。然而小蜂窝的随机部署特性，不可避免地会出现小蜂窝的密集分布甚至超密集分布，以提高接入传输速率和网络容量。

　　（2）融合的三个方面

　　首先，多领域跨界融合。5G网络需要能够融合多领域的技术[3]，满足各种设备多样化的无线连接性要求。

　　其次，多系统融合。主要包括地面移动通信与卫星移动通信、数字广播通信与蜂窝通信、移动蜂窝系统与宽带接入系统、短距离传输系统等系统间的融合。

　　此外，多RAT/多层次/多连接融合，蜂窝系统内的多种接入技术（2G/3G/4G/5G）以及多层覆盖（Macro/Micro/Pico/Femto）、多链路（Relay、D2D、UE-Relay）之间紧密耦合，协调合作，共同为用户服务。

　　（3）5G的发展需要创新技术作为支撑。包括：①频率运用的新技术，包含矫捷的操纵频谱和高频段；②新的空中接口技术，比如全双工技术、非正交非同步多址技术以及角动量调制等技术；③新型5G无线网络架构[4]。

3 5G网络架构

　　如图２所示是一种5G网络架构，该架构可分为三大模块：网络场景、接入网和核心网。

　　（1）分析场景时，可以分为室内和室外两个场景。为了提高室外覆盖率，小区基站采用大规模MIMO和分布式天线，为了弥补宏蜂窝的不足部署虚拟蜂窝；为了实现室内高速率传输，室内终端直接与室外的大规模天线阵列进行通信，充分利用适用于短距离通信的技术。

　　（2）接入网设计主要包括三点：首先，融合异构多接入技术：包括5G，UTMS，LTE，WiFi等的融合；其次，资源进行集中分配，基站资源虚拟化，以及频谱资源的动态利用。另外，传输路径的优化[5]，使数据平面设计扁平化。

　　（3）核心网设计主要包括两点：首先，实现分离，包括控制与转发分离和物理硬件与逻辑分离两个方面的分离；其次，增强对业务的感知能力，并满足数据的动态传输。

4 5G关键技术的概述

　　4.1 高频段传输技术

　　目前，移动通信系统主要工作在低频段，而在高频段，3 GHz以上利用较少，未来无线通信需要利用高频段传输技术来提高系统容量。

　　4.2 MIMO技术

　　MIMO信道容量具备随收发天线数中的最小值呈类似线性增加特征[6]。通过添加多个天线，可以为无线信道带来更大的自由度，以容纳更多的信息数据。MIMO可以大幅增加系统的吞吐量及传送距离，运用大规模多天线技术MIMO已成为提高系统频谱利用率和传输可靠性的有效手段，为大幅度提高网络系统的容量提供了一个有效的途径。

　　4.3 同时同频全双工

　　现有的无线通信系统中，由于技术条件的限制, 不能实现同时、同频以及双向通信的全双工通信, 双向链路都是通过时间或频率进行区分的, 对应于TDD和FDD方式。由于现有网络不能进行同时、同频双向通信，浪费了一半的无线资源，全双工技术理论上可提高频谱利用率一倍。

　　4.4 D2D通信技术

　　如图3所示的D2D通信，D2D能够实现短距离设备间直接通信，具有信道质量高、低时延、较高数据速率和较低功耗等优点；利用广泛分布的终端设备，能够改善覆盖和提高频谱资源利用；未来5G网络中，D2D 直接通信技术能够在没有基站的中转下，实现通信设备之间的直接通信，拓展了网络连接和接入方式[7]。

　　4.5 超密集网络部署

　　5G应该是一个多元化、宽带化、智能化的网络，将部署更多的密集网络来满足室内和室外场景的数据需求。密集网络提升的信噪比增益比大规模天线带来的信噪比增益更大，提升了终端用户的体验效果，并且大幅度提高系统容量，具有更灵活的网络部署和更高效的频谱效率的特征[8]。

　　4.6 新型网络架构技术

　　5G网络架构将具有低时延、低成本、扁平化、易维护等优点。新型无线接入网架构具有基于协作式无线电技术、集中化处理技术、实时云计算构架技术的优点。其本质是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。

　　4.7 网络智能化技术

　　未来，网络智能化技术将是5G网络的一个重要技术，应具有智能配置、智能识别、自动模式切换等优点，实现网络智能自组织的功能。自组织网络主要是让网络中具有自组织能力，即自配置、自优化、自愈合等，实现网络智能地进行规划、部署、维护、优化和排障等优点。

　　4.8 多载波技术

　　在5G系统中，为了达到高数据速率，将可能需求高达1 GHz的带宽。但在低频段难以获得连续的宽带频谱资源。在这些频段中，有的无线传输系统，比如电视网络系统中存在白频谱资源。这些白频谱的位置可能是不连续的[9]，希望在5G中能够采用新型的多载波技术实现对这些频谱的使用。

　　4.9 软件定义无线网络

　　在传统的Internet网络架构中，控制和转发是集成在一起的，网络互联节点(如路由器、交换机)是封闭的，其转发控制必须在本地完成，使得它们的控制功能非常复杂，网络技术创新复杂度高。软件定义网络的基本思路将路由器中的路由决策等控制功能从设备中分离出来，统一由中心控制器通过软件来进行控制，实现转发和控制的分离，从而使得控制更为灵活，设备更为简单。

5 改善5G系统容量的研究

　　（1）采用“异构协同”方法提高网络容量，“异构协同”指建立高效、开放、可扩展、可信、智能的无线网络体，新型无线通信网络架构、新频段通信技术以及高效无线通信技术相互协同作用，共同提高网络容量[10]。

　　（2）利用更多频谱。开发利用高频段资源，使其更加适合小小区；另外，开发利用“白频谱”和可见光通信等技术资源。

　　（3）提升频谱利用效率。首先，高效地使用频谱（例如运用智能天线技术）可以提高频谱效率；其次采用动态频谱分配策略，打破传统静态频谱分配方法的局限，结合时-频-空多维频谱的动态分配，促进频谱资源利用能够智能化，达到提高频谱利用效率的目的；最后，采用新型无线接入的多址技术，尝试非正交多址接入技术[11]。

　　（4）新型无线传输技术。首先，采用大规模MIMO和3D MIMO进行高效传输；另外，采用基于电磁波角动量特性的新型无线传输技术，例如电磁涡旋无线传输技术。

　　（5）更多基站（更小小区）。小区的部署更加密集，单个小区的覆盖范围大大缩小[12]。

　　（6）同时、同频的双向通信的全双工技术。

6 结束语

　　本文详细研究了5G通信发展愿景和特征，并详细研究了对5G网络的需求分析，研究了5G通信的发展线路，阐述了5G网络的架构的主要部分，对5G移动通信若干关键技术进行了研究，最后，提出了提高5G无线网络容量的研究方向以及采用到的关键技术，对提高无线网络容量具有重要实际意义。随着技术的不断发展，5G关键核心技术将逐步得以确定，加快了5G标准化进程。

　　

参考文献

　　[1] 董利，陈金鹰，刘世林，等．第五代移动通信初探[J]．通信与信息技术，2013(5)：53-55．

　　[2] Singh Sapana，Singh Pratap.Key concepts and networkarchitecture for 5G mobile technology[J].International Jour-nal of Scientific Ｒesearch Engineering＆Technology，2012，(5)：165-170．

　　[3] 翟冠楠，李昭勇．5G无线通信技术概念及相关应用[J].电信网技术，2013(9)：1-6．

　　[4] WANG C X，HAIDER F，GAO X Q，et al.Cellular archi-tecture and key technologies for 5G wireless communication networks[J].IEEE Commun.Mag，2014，52(2)：122-130.

　　[5] NGO H Q，LARSSON E G，MARZETTA T L.Energy and spectral efficiency of very large multiuser MIMO systems[J].IEEE Trans.Commun.，2013，61(4)：1436-1449.

　　[6] MOHAMMED S K，LARSSON E G.Per-antenna constant envelope precoding for large multi-user MIMO systems[J].IEEE Trans.Commun.，2013，61(3)：1059-1071.

　　[7] OSSEIRAN A，BRAUN V，HIDEKAZU T，et al.The founda-tion of the mobile and wireless communications system for 2020 and beyond：Challenges, enablers and technology solu-tions[C].Proceedings of IEEE Vehicular Technology Confer-ence(VTC Spring)，2013：1-5.

　　[8] Nokia Siemens Networks.2020：Beyond 4G Radio Evolution for the Gigabit Experience. Nokia Siemens Networks Beyond4G White Paper[Z].

　　[9] LIU S，WU J J，CHUNG H K，et al.A 25 Gb/s(/km2) urban wireless network beyond IMT-advanced[J].IEEE Commun Mag，2011，49(2)：122-129.

　　[10] AIJAZ A，AGHVAMI H，AMANI M.A survey on mobile data offloading：Technical and business perspectives[J].IEEE Wirel.Commun.，2013，20(2)：104-112.

　　[11] HOYDIS J，BRINK S，Debbah M.Massive MIMO in the UL/DL of cellular networks: How many antennas do we need[J].IEEE J.Sel.Area Commun.，2013，31(2)：160-171.

　　[12] LARSSON E G，TUFVESSON F，EDFORS O，et al.Mas-sive MIMO for next generation wireless systems[J].IEEE Commun.Mag，2014，52(2)：186-19

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