淺析第5代移動通信面臨的矛盾和解決方案

1、淺析第5代移動通信面臨的矛盾和解決方案摘要：本文主要介紹5代移動通信面臨的問題，主要矛盾是5G的發(fā)展與頻譜資 源短缺以及頻譜資源分散，以及用戶的需求跟技術(shù)的矛盾。通過從增加基站的密 度，使小區(qū)覆蓋更小，復用更多；提高無線技術(shù)能力來增強頻譜利用率；增加 移動通信頻譜，提高業(yè)務帶寬等方面入手能夠緩解一定的壓力，但是并不能從根 本上解決問題。首先頻譜短缺是不爭的事實，根據(jù)香農(nóng)定理，頻譜利用率的增加 畢竟有限。本文從頻譜復用的觀點出發(fā)來解決目前所面臨的問題，通過研究 FD-MIMO技術(shù)，效率問題以及頻譜復用等方面尋求出路，并對通信的發(fā)展做出展 望。關(guān)鍵詞：頻譜利用率FD-MIMO香農(nóng)定理Simplel

2、y Analyse the Contradictions of 5G and Its SolutionsWu XuejiaoThe modern mobile communication technologyAbstract： This paper mainly introduces five generation of mobile communications are faced with the problem, Principal contradiction is the development of 5 g and spectrum resources shortage and sp

3、read spectrum and the contradiction of technical and users demand. Through from increasing the density of base station, district covers a smaller, more reusable; Improve the ability of wireless technology to enhance spectrum efficiency; Increase mobile spectrum, improve business bandwidth and so on

4、aspects to relieve the pressure, but can not fundamentally solve the problem. First of all, Shortage of spectrum is indisputable fact. According to the shannon theorem, the increase of the frequency spectrum utilization is limited after all. In this paper, from the viewpoint of spectrum reuse to sol

5、ve the problems facing at present, By studying the FD - MIMO technology, efficiency and spectrum reuse and so on to seek a way out. And make prospect for the development of the communication.Key words:Spectral Efficency FD-MIMOShannon Theorem1、研究背景移動通信已經(jīng)深刻地改變了人們的生活，但人們對更高性能移動通信的追求 從未停止。為了應對未來爆炸性的移動數(shù)

6、據(jù)流量增長、海量的設備連接、不斷涌 現(xiàn)的各類新業(yè)務和應用場景，第五代移動通信（5G）系統(tǒng)將應運而生。5G將滲 透到未來社會的各個領(lǐng)域，以用戶為中心構(gòu)建全方位的信息生態(tài)系統(tǒng)。5G將使 信息突破時空限制，提供極佳的交互體驗，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴；5G 將拉近萬物的距離，通過無縫融合的方式，便捷地實現(xiàn)人與萬物的智能互聯(lián)。5G 將為用戶提供光纖般的接入速率，“零”時延的使用體驗，千億設備的連接能力， 超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動性等多場景的一致服務，業(yè)務及用戶感知的智能優(yōu)化，同時將為網(wǎng)絡帶來超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低， 最終實現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”的總體愿景。三-z

7、Eal-M 二EtlQ= m -EE匡-I金攻玲威通It話者與數(shù)扼業(yè)務量的惑體增長情況移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是未來移動通信發(fā)展的兩大主要驅(qū)動力，將為5G提供 廣闊的前景。移動互聯(lián)網(wǎng)顛覆了傳統(tǒng)移動通信業(yè)務模式，為用戶提供前所未有的 使用體驗，深刻影響著人們工作生活的方方面面。面向2020年及未來，移動互 聯(lián)網(wǎng)將推動人類社會信息交互方式的進一步升級，為用戶提供增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn) 實、超高清(3D)視頻、移動云等更加身臨其境的極致業(yè)務體驗。移動互聯(lián)網(wǎng)的進 一步發(fā)展將帶來未來移動流量超千倍增長，推動移動通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的新一輪變 革。圖2移動互聯(lián)的美好愿景物聯(lián)網(wǎng)擴展了移動通信的服務范圍，從人與人通信延伸到物與

8、物、人與物智 能互聯(lián)，使移動通信技術(shù)滲透至更加廣闊的行業(yè)和領(lǐng)域。面向2020年及未來， 移動醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等將會推動物聯(lián)網(wǎng)應用爆發(fā) 式增長，數(shù)以千億的設備將接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”，并締造出規(guī)模 空前的新興產(chǎn)業(yè)，為移動通信帶來無限生機。同時，海量的設備連接和多樣化的 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務也會給移動通信帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著智能終端的普及以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的飛速發(fā)展，到2020年，移動數(shù)據(jù)業(yè) 務流量將增長1000倍。5G將引入更加先進的技術(shù)，來實現(xiàn)新的更高的目標要求。移動數(shù)據(jù)業(yè)務以每年翻一番的速度遞增，我們需要通過更高的頻譜效率，更多的 頻譜資源以及更密集的小區(qū)部署等來共同

9、滿足移動數(shù)據(jù)流量爆炸增長的需求。隨 著用戶需求的多樣，視頻音頻信息越來越受到人們的歡迎，高清晰度、大容量的 圖像業(yè)務語音業(yè)務需要更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。用戶體驗也是不可忽略的一個方 面，我們在實現(xiàn)高數(shù)據(jù)流量高速率的同時，應達到固定Web接入業(yè)務的體驗，滿 足實時性的要求。2、第5代移動通信面臨問題2.1業(yè)務和用戶需求問題移動互聯(lián)網(wǎng)主要面向以人為主體的通信，注重提供更好的用戶體驗。面向 2020年及未來，超高清、3D和浸入式視頻的流行將會驅(qū)動數(shù)據(jù)速率大幅提升， 例如8K(3D)視頻經(jīng)過百倍壓縮之后傳輸速率仍需要大約IGbps。增強現(xiàn)實、云 桌面、在線游戲等業(yè)務，不僅對上下行數(shù)據(jù)傳輸速率提出挑戰(zhàn)，同時

10、也對時延提 出了“無感知”的苛刻要求。未來大量的個人和辦公數(shù)據(jù)將會存儲在云端，海量 實時的數(shù)據(jù)交互需要可媲美光纖的傳輸速率，并且會在熱點區(qū)域?qū)σ苿油ㄐ啪W(wǎng)絡 造成流量壓力。社交網(wǎng)絡等OTT(Over-The-Top)業(yè)務將會成為未來主導應用之 一，小數(shù)據(jù)包頻發(fā)將造成信令資源的大量消耗。未來人們對各種應用場景下的通 信體驗要求越來越高，用戶希望能在體育場、露天集會、演唱會等超密集場景， 高鐵、車載、地鐵等高速移動環(huán)境下也能獲得一致的業(yè)務體驗。物聯(lián)網(wǎng)主要面向 物與物、人與物的通信，不僅涉及普通個人用戶，也涵蓋了大量不同類型的行業(yè) 用戶。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務類型非常豐富多樣，業(yè)務特征也差異巨大。對于智能家居、智

11、 能電網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測、智能農(nóng)業(yè)和智能抄表等業(yè)務，需要網(wǎng)絡支持海量設備連接和 大量小數(shù)據(jù)包頻發(fā)；視頻監(jiān)控和移動醫(yī)療等業(yè)務對傳輸速率提出了很高的要求； 車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制等業(yè)務則要求毫秒級的時延和接近100%的可靠性。另外，大 量物聯(lián)網(wǎng)設備會部署在山區(qū)、森林、水域等偏遠地區(qū)以及室內(nèi)角落、地下室、隧 道等信號難以到達的區(qū)域，因此要求移動通信網(wǎng)絡的覆蓋能力進一步增強。為了 滲透到更多的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務中，5G應具備更強的靈活性和可擴展性，以適應海量 的設備連接和多樣化的用戶需求。無論是對于移動互聯(lián)網(wǎng)還是物聯(lián)網(wǎng)，用戶在不 斷追求高質(zhì)量業(yè)務體驗的同時也在期望成本的下降。同時，5G需要提供更高和 更多層次的安全機制，

12、不僅能夠滿足互聯(lián)網(wǎng)金融、安防監(jiān)控、安全駕駛、移動醫(yī) 療等的極高安全要求，也能夠為大量低成本物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務提供安全解決方案。此外， 5G應能夠支持更低功耗，以實現(xiàn)更加綠色環(huán)保的移動通信網(wǎng)絡，并大幅提升終 端電池續(xù)航時間，尤其對于一些物聯(lián)網(wǎng)設備。2.2、頻譜資源問題移動通信市場的發(fā)展對未來頻譜資源的迫切需求，意在提議通信產(chǎn)業(yè)界認識 到我們所面臨的問題，并對移動通信未來10年發(fā)展所需要的頻率資源的開發(fā)和 利用進行積極的推動。目前的移動通信網(wǎng)絡在應對移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式發(fā)展時，可能會面臨 以下問題：能耗、每比特綜合成本、部署和維護的復雜度難以高效應對未來千倍 業(yè)務流量增長和海量設備連接；多制式網(wǎng)絡共存

13、造成了復雜度的增長和用戶體驗 下降；現(xiàn)網(wǎng)在精確監(jiān)控網(wǎng)絡資源和有效感知業(yè)務特性方面的能力不足，無法智能 地滿足未來用戶和業(yè)務需求多樣化的趨勢；網(wǎng)絡運營商如何滿足人們?nèi)找嬖鲩L的 業(yè)務需求，滿足數(shù)據(jù)業(yè)務爆炸式的發(fā)展要求呢，途徑無非有幾種可能：（1）增 加基站的密度，使小區(qū)覆蓋更小，復用更多；（2）提高無線技術(shù)能力來增強頻 譜利用率；（3）增加移動通信頻譜，提高業(yè)務帶寬。然而，無線頻譜從低頻到 高頻跨度很大，且分布碎片化，干擾復雜。根據(jù)頻率管理有關(guān)部門的數(shù)據(jù)統(tǒng)計， 我們不難分析，如果按照4G標準的LTE推廣56，目前頻譜是不夠用的。圖4列 舉了截止到WRC-07在ITU確認的IMT頻段在各個地區(qū)的使用

14、情況，包括1GHz 以下的 450MHz 頻段、UHF 頻段，3GHz 以下的 1.8GHz、1,9GHz. 2GHz、2,3GHz. 2.6GHz頻段，以及5GHz以下的3.5GHz頻段等。目前的所有IMT頻成全球統(tǒng)一的IMT頻譜使用對于通信產(chǎn)業(yè)界具有非常重大的意義，規(guī)模經(jīng)濟所 帶來價格優(yōu)勢有利于生產(chǎn)制造企業(yè)降低成本、縮短產(chǎn)品的上市時間，同時也滿足 了終端用戶全球漫游、享受低價格產(chǎn)品所帶來的好處。對于運營商來講，統(tǒng)一的 頻譜使用可以滿足跨境協(xié)調(diào)及互操作性要求，將非常有利于保證頻譜資源的有效 使用。3、問題的解決方案應對這些問題，需要從如下兩方面提升5G系統(tǒng)能力，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在網(wǎng)絡建設和

15、部署方面，5G需要提供更高網(wǎng)絡容量和更好覆蓋，同時降低網(wǎng)絡 部署、尤其是超密集網(wǎng)絡部署的復雜度和成本；5G需要具備靈活可擴展的網(wǎng)絡 架構(gòu)以適應用戶和業(yè)務的多樣化需求；5G需要靈活高效地利用各類頻譜，包括 對稱和非對稱頻段、重用頻譜和新頻譜、低頻段和高頻段、授權(quán)和非授權(quán)頻段等； 另外，5G需要具備更強的設備連接能力來應對海量物聯(lián)網(wǎng)設備的接入。在運營 維護方面，5G需要改善網(wǎng)絡能效和比特運維成本，以應對未來數(shù)據(jù)迅猛增長和 各類業(yè)務應用的多樣化需求；5G需要降低多制式共存、網(wǎng)絡升級以及新功能引 入等帶來的復雜度，以提升用戶體驗；5G需要支持網(wǎng)絡對用戶行為和業(yè)務內(nèi)容 的智能感知并作出智能優(yōu)化；同時，5

16、G需要能提供多樣化的網(wǎng)絡安全解決方案， 以滿足各類移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)設備及業(yè)務的需求。為實現(xiàn)支持高速、穩(wěn)定、低延遲等要求，5G系統(tǒng)有必要采用新型的網(wǎng)絡架 構(gòu)，引入大規(guī)模MIMO技術(shù)、同時同頻全雙工、CA技術(shù)。從目前的異構(gòu)網(wǎng)絡發(fā)展 趨勢來看，5G網(wǎng)絡將會是一個高密度新型分布式協(xié)作與自組織組網(wǎng)，各個異構(gòu) 系統(tǒng)之間采用無線資源聯(lián)合調(diào)配技術(shù)到達資源高效利用，以提升系統(tǒng)性能。這樣 的新型網(wǎng)絡架構(gòu)及其相應的關(guān)鍵技術(shù)，給仿真帶來了極大的挑戰(zhàn)。一方面，從內(nèi) 存需求和仿真速率來看，在4G仿真系統(tǒng)中，多層異構(gòu)網(wǎng)絡的引入已經(jīng)使得仿真 內(nèi)存需求很大，在5G系統(tǒng)中大規(guī)模MIMO技術(shù)的引入將帶來參數(shù)配置復雜、中間 數(shù)據(jù)產(chǎn)

17、生與儲存量大、仿真時間較長、用戶交互信息多、評估指標方式方法多樣 等難點；另一方面，新型網(wǎng)絡架構(gòu)的引入，需要對傳統(tǒng)的固定網(wǎng)絡架構(gòu)進行修改， 會影響到系統(tǒng)干擾分布情況，同時分布式協(xié)作處理技術(shù)、自組織網(wǎng)絡等關(guān)鍵技術(shù) 的引入也需要對4G系統(tǒng)下的仿真模塊進行修改，對仿真系統(tǒng)的建模帶來挑戰(zhàn)。3.1、全維度MIMO探索 MIMO技術(shù)飛速增長的移動數(shù)據(jù)業(yè)務對下一代長期演進系統(tǒng)(Long Term Evolution, LTE)或5G提出了更高的要求，同時也帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。為此，第三代合 作伙伴計劃 (the Third Generation Partnership Project, 3GPP)已 經(jīng)著

18、力 制定了諸如載波聚合(Carrier Aggregation, CA)、協(xié)作多點傳輸(Coordinated Multi-point Transmission/reception, CoMP)、增強型 MIMO(Enhanced MIMO)、 無線中繼(Relay)、自組織網(wǎng)絡(Self-organization Network， SON)等技術(shù) 標準以求提供更高的頻譜效率和更優(yōu)的用戶體驗。在這些技術(shù)中，CoMP被認為 能夠較大的提升系統(tǒng)吞吐量和邊緣用戶的吞吐量，尤其是邊緣用戶的吞吐量。但 是其對巨大的小區(qū)間交互開銷使得其發(fā)展進入了瓶頸；CA技術(shù)可以有效提升系 統(tǒng)峰值速率和網(wǎng)絡負載均衡能力，

19、但同時也需消耗大量的系統(tǒng)資源。在3GPP已 經(jīng)制定標準的技術(shù)中，覆蓋和容量的折中均沒有被完美的實現(xiàn)。新的技術(shù)亟待被 提出以適應井噴增長的無線移動業(yè)務。隨著有源天線陣列(Active Antenna Array, AAS)的發(fā)展，全維度多入多 出技術(shù)(Full Dimension Multi-Input-Multi-Output, FD-MIMO)被首次提出， 緊接著，3GPP在今年討論了端口數(shù)目增至64的大規(guī)模2D有源天線陣列(2D Antenna Array)下的關(guān)鍵技術(shù)，目前FD-MIMO技術(shù)已經(jīng)被3GPP視作5G系統(tǒng)的 關(guān)鍵技術(shù)之一。FD-MIMO采用大規(guī)模2D有源天線陣列，可以利用空間

20、隔離度為 極大數(shù)目的移動終端同時同頻提供服務從而大幅提升系統(tǒng)容量，此外，2D天線 面板可以充分利用豎直維的空間自由度實現(xiàn)3D波束賦形使得系統(tǒng)覆蓋大幅提升。 由于FD-MIMO技術(shù)對系統(tǒng)的覆蓋和容量均有可觀的增益，且隨著有源天線技術(shù)的 發(fā)展使得大規(guī)模天線陣列的實現(xiàn)成為可能，其發(fā)展前景被一致看好。FD-MIMO相較于傳統(tǒng)MIMO技術(shù)主要有兩大特征。第一，F(xiàn)D-MIMO系統(tǒng)支持的 天線數(shù)目將遠遠超過最多支持8天線的傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)；第二，2D天線陣列相較 于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)使用的一維線性天線陣列多了一維豎直維可利用維度FD-MIMO 的這兩個特征使得關(guān)于其的研究主要向兩個方向發(fā)展：1、研究大規(guī)模天線

21、陣列 帶來的系統(tǒng)性能增益；2、研究如何利用豎直維空間自由度如三維波束賦形 (Three-Dimension Beamforming, 3D Beamforming)及自適應下傾角等。3.2、頻譜使用新方向(1)頻譜資源共用目前ITU做出的202O年移動頻率資源需求評估為1720MHZ。在四年之前的 WRC-07大會上，移動產(chǎn)業(yè)經(jīng)過不懈努力和政府支持獲得了大概400MHz頻率資源， 而時隔數(shù)年后的WRC-12大會從目前看來還沒有設立真正涉及移動頻率資源分配 的議題。也就是說單從劃分結(jié)果來看，移動通信所需要的頻段并不能滿足移動通 信的發(fā)展需要。而這種情況在短時間內(nèi)也無法得到徹底的改變。在頻譜資源日

22、趨 緊張的實際情況下，片面的追求增加無線移動通信的頻譜劃分不切合實際，加強 不同無線業(yè)務的頻譜共用，提高頻譜的精細化使用應是目前需要著重考慮的問題。 而國家無線電管理部門也將對頻譜資源進行科學的精細化和經(jīng)濟化配置，減少頻 譜專用，推進頻譜共用。普遍認為在目前頻譜資源緊張的情況下，頻譜共用將成為重要發(fā)展趨勢之一。 包括4G與原有3G系統(tǒng)的關(guān)系如何，IMT與固定衛(wèi)星系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)甚至雷達系 統(tǒng)等系統(tǒng)的共用等問題都需要進行深入的研究。同時指出了有效利用無線電頻譜 資源的要求，包括更高的頻譜利用率指標，可在任意可用頻段內(nèi)部署實施，支持 可變信道帶寬性能，具備與現(xiàn)存業(yè)務系統(tǒng)兼容共存使用頻譜的能力，應用非

23、對稱 頻譜的能力，以及靈活調(diào)整雙工間隔能力。而實現(xiàn)這些要求的新技術(shù)也已經(jīng)開始 探索和研究，如無線電頻率兼容共存技術(shù)、動態(tài)頻譜分配技術(shù)、靈活頻譜應用技 術(shù)、軟件無線電(SDR)與感知無線電(CR)技術(shù)、超寬帶(UWB)系統(tǒng)技術(shù)等。在提出TDD技術(shù)頻譜少，尤其缺乏全球性頻譜的同時，特別提出TDD技術(shù)應 當全面展開與其他系統(tǒng)的共存研究工作。認為運營商在標準化領(lǐng)域應與廠家展開 深入合作共同解決TDD頻率的應用問題，如保證LTE-A的引入不干擾已有系統(tǒng)， 并需要解決終端的干擾問題，尤其是同一終端內(nèi)TD-LTE與WiFi/BT的多模共存 問題。此外，我國正在進行電視系統(tǒng)數(shù)字化進程，由于引入了數(shù)字電視廣播， UHF(700MHz)頻段可以被大量空閑出來。為了有效利用UHF頻段進行無線通信， 同時不影響現(xiàn)有廣播電視業(yè)務，動態(tài)利用UHF并實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)與廣播電視系 統(tǒng)的共存成為目標。與會專家針對這一頻段具體提出了未來可以采用的共用技術(shù)。 認為這一頻段實際占用度較低，具備引入感知功能的移動應用條件，應采用感知 無線電技術(shù)，利用廣播電視系統(tǒng)的空閑進行移動通信業(yè)務，并