淺析5G的核心技術(shù)

1、淺析淺析5G5G通信通信的核心技術(shù)的核心技術(shù)楊亞飛電子與通信工程前言隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的網(wǎng)絡(luò)將會面對：隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的網(wǎng)絡(luò)將會面對：1000倍的倍的數(shù)據(jù)容量增長，數(shù)據(jù)容量增長，10到到100倍的無線設(shè)備連接，倍的無線設(shè)備連接，10到到100倍的用戶速率需求，倍的用戶速率需求，10倍長的電池續(xù)航時(shí)間需求等等。倍長的電池續(xù)航時(shí)間需求等等。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是未來移動(dòng)通信發(fā)展的兩大驅(qū)動(dòng)力移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是未來移動(dòng)通信發(fā)展的兩大驅(qū)動(dòng)力.坦白的講，坦白的講，4G網(wǎng)絡(luò)無法滿足這些需求，所以網(wǎng)絡(luò)無法滿足這些需求，所以5G就必須就必須登場。本文主要對登場。本文主要對5G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的 非正交多

2、址接入技術(shù)非正交多址接入技術(shù), 高頻高頻段輸出，段輸出，D2D通信，通信， 超密集組網(wǎng)及超密集組網(wǎng)及 大規(guī)模大規(guī)模MIMO 等技術(shù)等技術(shù)特點(diǎn)做了相關(guān)介紹，并對特點(diǎn)做了相關(guān)介紹，并對5G的未來發(fā)展進(jìn)行展望。的未來發(fā)展進(jìn)行展望。一背景一背景隨著人類社會的不斷發(fā)展，現(xiàn)如今的移動(dòng)通信技術(shù)將會慢慢的難以滿足人們對通信網(wǎng)絡(luò)的各方面的需求。對于這些形式，將對5G（the fifth generation mobile communication network）在頻率，技術(shù)，運(yùn)營等方面帶來新的挑戰(zhàn)，未來，5G的發(fā)展成為業(yè)界研究重點(diǎn)。 智能終端（移動(dòng)終端）多人視頻通話，3D電影，游戲以及超高畫質(zhì)（UHD）節(jié)目

3、二二5G技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)2.1非正交多址接入技術(shù)非正交多址接入技術(shù)非正交多址技術(shù)（非正交多址技術(shù)（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）的基本思想是）的基本思想是在發(fā)送端采用非正交發(fā)送，主動(dòng)引入干在發(fā)送端采用非正交發(fā)送，主動(dòng)引入干擾信息，在接收端通過串行干擾刪除擾信息，在接收端通過串行干擾刪除（SIC）接收機(jī)實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)）接收機(jī)實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)。NOMA的子信道傳輸依然采用正交頻分復(fù)的子信道傳輸依然采用正交頻分復(fù)用（用（OFDM）技術(shù)，子信道之間是正交的，）技術(shù)，子信道之間是正交的，互不干擾，但是一個(gè)子信道上不再只分互不干擾，但是一個(gè)子信道上不再只分配給一個(gè)用戶，

4、而是多個(gè)用戶共享。同配給一個(gè)用戶，而是多個(gè)用戶共享。同一子信道上不同用戶之間是非正交傳輸，一子信道上不同用戶之間是非正交傳輸，這樣就會產(chǎn)生用戶間干擾問題，這也就這樣就會產(chǎn)生用戶間干擾問題，這也就是在接收端要采用是在接收端要采用SIC技術(shù)進(jìn)行多用戶檢技術(shù)進(jìn)行多用戶檢測的目的。測的目的。2.1.1非正交多址技術(shù)（NOMA）的優(yōu)點(diǎn)： 1.干擾低2.高速運(yùn)動(dòng)的情況下傳輸效率也很好3.多用戶共享高速傳輸效率（容量大）2.2 高頻段傳輸高頻段傳輸移動(dòng)通信移動(dòng)通信傳統(tǒng)工作頻段主要集中在傳統(tǒng)工作頻段主要集中在3GHz以下，這使得頻譜以下，這使得頻譜資源十分擁擠，而在高頻段資源十分擁擠，而在高頻段(如毫米波、厘

5、米波頻段如毫米波、厘米波頻段)可用頻可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，可以實(shí)現(xiàn)譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，可以實(shí)現(xiàn)極高速短距離通信，支持極高速短距離通信，支持5G容量和傳輸速率等方面的需求容量和傳輸速率等方面的需求。高頻段在移動(dòng)通信中的應(yīng)用是未來的發(fā)展趨勢，業(yè)界對此高高頻段在移動(dòng)通信中的應(yīng)用是未來的發(fā)展趨勢，業(yè)界對此高度關(guān)注。足夠量的可用帶寬、小型化的天線和設(shè)備、較高的度關(guān)注。足夠量的可用帶寬、小型化的天線和設(shè)備、較高的天線增益是高頻段毫米波移動(dòng)通信的主要優(yōu)點(diǎn)，但也存在傳天線增益是高頻段毫米波移動(dòng)通信的主要優(yōu)點(diǎn)，但也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)

6、境影響等缺點(diǎn)。輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影響等缺點(diǎn)。射頻器件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的問題也有待進(jìn)一步研究和解決。射頻器件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的問題也有待進(jìn)一步研究和解決。2.2.1高頻段傳輸高頻段傳輸可用頻帶寬，可提供幾十GHz帶寬波束集中，提高能效方向性好，受干擾影響小優(yōu)勢路徑損耗大，不適合遠(yuǎn)程通信受空氣和雨水等影響較大繞射能力差，NLOS受限如何實(shí)現(xiàn)隨機(jī)接入硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高（例如高速A/D和D/A的設(shè)計(jì)有很大挑戰(zhàn)）挑戰(zhàn) 高頻段帶寬資源尚待開發(fā) 60GHz頻段毫米波 (mmWave, 30300 GHz, 110 mm, 廣義毫米波包含2030 GHz)10400 GHz頻段大氣衰減衛(wèi)

7、星軍事毫米波通信開發(fā)高頻段p 毫米波可用于室內(nèi)短距離通信，也可為5G移動(dòng)通信系統(tǒng)提供回程鏈路2.3 D2D通信通信傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的組網(wǎng)傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式方式：以以基站為中心實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站基站為中心實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站及中繼站無法移動(dòng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在靈及中繼站無法移動(dòng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在靈活度上有一定的限制。隨著無線多媒活度上有一定的限制。隨著無線多媒體業(yè)務(wù)不斷增多，傳統(tǒng)的以基站為中體業(yè)務(wù)不斷增多，傳統(tǒng)的以基站為中心的業(yè)務(wù)提供方式已無法滿足海量用心的業(yè)務(wù)提供方式已無法滿足海量用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求戶在不同環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求。如圖所如圖所示：示：D2D通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式：通信系統(tǒng)的組

8、網(wǎng)方式：D2D技術(shù)無需借助基站的幫助就能夠技術(shù)無需借助基站的幫助就能夠?qū)崿F(xiàn)通信終端之間的直接通信，拓展實(shí)現(xiàn)通信終端之間的直接通信，拓展網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式。由于短距離直網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式。由于短距離直接通信，信道質(zhì)量高，接通信，信道質(zhì)量高，D2D能夠?qū)崿F(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時(shí)延和較低較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時(shí)延和較低的功耗的功耗;通過廣泛分布的終端，能夠改通過廣泛分布的終端，能夠改善覆蓋，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用善覆蓋，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用;支支持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法，提持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法，提升鏈路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。目前，升鏈路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。目前，D2D采用廣播、

9、組播和單播技術(shù)方案，采用廣播、組播和單播技術(shù)方案，未來將發(fā)展其增強(qiáng)技術(shù)，包括基于未來將發(fā)展其增強(qiáng)技術(shù)，包括基于D2D的中繼技術(shù)、多天線技術(shù)和聯(lián)合的中繼技術(shù)、多天線技術(shù)和聯(lián)合編碼技術(shù)等。蜂窩網(wǎng)中的編碼技術(shù)等。蜂窩網(wǎng)中的 D2D 通信示通信示意圖如右：意圖如右：2.4 超密集組網(wǎng)超密集組網(wǎng)超密集網(wǎng)絡(luò)能夠改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，大幅度提升系統(tǒng)容量，并且對業(yè)務(wù)進(jìn)行分流，具有更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的頻率復(fù)用。未來，面向高頻段大帶寬，將采用更加密集的網(wǎng)絡(luò)方案，部署小區(qū)/扇區(qū)將高達(dá)100個(gè)以上。與此同時(shí)，愈發(fā)密集的網(wǎng)絡(luò)部署也使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓訌?fù)雜，小區(qū)間干擾已經(jīng)成為制約系統(tǒng)容量增長的主要因素，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)能效。干

10、擾消除、小區(qū)快速發(fā)現(xiàn)、密集小區(qū)間協(xié)作、基于終端能力提升的移動(dòng)性增強(qiáng)方案等，都是目前密集網(wǎng)絡(luò)方面的研究熱點(diǎn)。超密集組網(wǎng)超密集組網(wǎng)的特點(diǎn)：以下是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署特點(diǎn)：未來將從以下是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署特點(diǎn)：未來將從傳統(tǒng)的移動(dòng)蜂窩方式轉(zhuǎn)向分布式的、傳統(tǒng)的移動(dòng)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。異構(gòu)的新型通信方式，網(wǎng)絡(luò)種類繁多。密集組網(wǎng)下的密集組網(wǎng)下的 LTE-B 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署場景如圖場景如圖2所示，小區(qū)的部署更加密所示，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集，單個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍大大縮小。圖中圖中，將，將MACRO作為網(wǎng)絡(luò)的基石，作為網(wǎng)絡(luò)的基石，P,F和和R 等低功率基站

11、則用來消除只等低功率基站則用來消除只有有 MARCOCELL（宏蜂窩）（宏蜂窩） 時(shí)的覆時(shí)的覆蓋盲區(qū)，能有效分擔(dān)宏蜂窩的負(fù)擔(dān)，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)。提供低時(shí)延、高可靠的用戶體驗(yàn)。2.5大規(guī)模大規(guī)模 MIMOMIMO(multiple input multiple output) 現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的 8 端口多用戶MIMO不能滿足頻譜效率和能量效率的數(shù)量級提升需求，而大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)可以顯著提高頻譜效率和能量效率。大規(guī)模MIMO 技術(shù)是MIMO技術(shù)的擴(kuò)展和延伸，其基本特征是在基站側(cè)配置大規(guī)模的天線陣列( 從幾十至幾千) ，其中基站天線的數(shù)量比每個(gè)信令資源的設(shè)備數(shù)量大得多，利用空分多址原理，同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶.此外，大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)中，使用簡單的線性預(yù)編碼和檢測方法，噪聲和快速衰落對系統(tǒng)的影響將逐漸消失，因此小區(qū)內(nèi)干擾也得到了降低.這些優(yōu)勢使得大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)成為5G 的一大潛在關(guān)鍵技術(shù)。三.總結(jié)5G是基于第四代移動(dòng)通信的演是基于第四代移動(dòng)通信的演進(jìn)，其未來的發(fā)展方向必定以進(jìn)，其未來的發(fā)展方向必定以“人的體驗(yàn)人的體驗(yàn)”為中心，在終端、為中