5G移动通信及其关键技术发展研究

石炯

（安徽邮电职业技术学院通信工程系，安徽合肥230031）

5G移动通信及其关键技术发展研究

石炯

（安徽邮电职业技术学院通信工程系，安徽合肥230031）

2014年是国内4G真正意义上实现商用的元年，后4G时代的通信技术被命名为5G.相对于4G，5G在传输速率、用户峰值速率、传输时延、连接设备密度、流量密度、移动性等方面均有较大提高.目前被关注的5G关键技术主要包括了超密集异构网络部署、大规模MIMO技术、毫米波的使用以及新的无线接入技术等.5G移动通信系统的定义目前仍然不明确，但是5G必然成为未来移动通信领域的主导技术.

5G发展现状；5G关键技术

15 G技术发展现状

随着通信网络的日益发展及3G与4G技术的推广与应用，后4G时代的通信技术被命名为5G.5G通信技术的研发，势必给通信行业带来新一代的革新.ITU已于2013年开始5G需求、频谱及技术趋势的研究工作，计划2016年完成技术评估方法研究，2018年完成IMT-2020标准征集，2020年最终确定5G标准.中国863计划也已于2014年启动了5G技术研究项目.重大专项5G相关研发课题将与863任务相衔接，支持863项目的研究成果转化应用到IMT-2020国际标准化进程中.

目前，5G通信技术还没有统一的制式标准.学术界预计一些合作项目，如METIS（mobile and wireless communications enablers for the 2020 information society）将驱动5G初步的标准化活动.我们将5G移动网络定义为以“用户为中心”的概念，取代以往3G中“运营商为中心”的概念，或4G中“服务为中心”的概念.用户的需求定义了5G移动通信系统将支持[1]：

1）更严格的时延和可靠性的要求，将需要支持的医疗保健、安全、物流、汽车应用，以及关键任务控制；

2）更高的数据传输速率，必须支持用户峰值速率可达10 Gb/s，而且需要具有很高的可用性和可靠性；

3）网络的可扩展性和灵活性，必须具有非常低的复杂性；

4）多样性及超长待机时间的终端设备；

5）更高的移动性能，实现高速移动环境下的良好用户体验.

25 G关键技术

2.1 超密集异构网络部署

2.1.1 超密集网络(ultra dense network，UDN)

提高网络容量明确的但非常有效的方法是使小区更小.根据统计，在1950年至2000年的50年间，相对于语音编码技术、MAC和调制技术的改进带来的不到10倍的频谱效率的提升，和采用更宽的带宽带来的传输速率的几十倍的提升，由于小区半径的缩小从而频谱资源的空间复用带来的频谱效率提升的增益达到2 700倍以上[2].

研究表示，如果定义基站致密性增益

其中，当基站的密度是λ1BSs/km2，则数据速率R1（以任意的测量方式，如边缘速度或总速率）；当基站密度为λ2（λ2＞λ1），则对应的速率是R2.则致密性增益与密度增加所带来的速率增长成正比.例如，如果网络的密度提高一倍，边缘数据速率增加50%（设增加的基站轻负载），则致密性增益ρ=0.5.

作为一个典型案例，在基于网格部署的城区，在给定的区域增加基站的数量，基站间距离从170 m减小至85 m，可增加5%的小区边缘速率，即从24.5 Mbps增至1 396 Mbps，ρ=9.9.

缩小小区半径，可以提高频谱资源的空间复用率.早在1980年代，小区的范围大约在几百km2.此后，这个尺寸逐步收缩，现在通常在城区分裂为1 km2.例如，在日本，基站间的间距可能只有200 m，覆盖区域不足0.1 km2的.网络迅速发展，包括嵌套的small cells（小站），比如picocells（微站）（范围不到100 m）和femtocells（微微站）（如WiFi的范围）.根据预测，未来无线网络中，在宏站的覆盖区域中,各种无线传输技术的各类低功率节点的部署密度将达到现有站点部署密度的10倍以上，站点之间的距离达到10 m甚至更小，支持高达每km2，25 000个用户，甚至将来激活用户数和站点数的比例达到1:1，即每个激活的用户都将有一个服务节点，从而形成超密集异构网络.

2.1.2 异构性与认知无线技术

当我们向5G迈进，网络将变得越来越多样.其中一个关键的特征是不同无线接入终端设备之间的整合，即5G激活设备能够胜任潜在的新的5G基站（如在微米频段的）的无线接入能力，也能在3G、众多的版本4G LTE、一些型号的WiFi、可能还有D2D通信设备，适用于一个较广的频谱范围.因此，对于网络来说，多层覆盖的多无线接入技术异构网络是5G网络中必须解决的任务.

认知无线技术是一个智能的通信系统，它可以认识到周围的环境，有一套方法去了解建筑物，从环境中学习，适应于其内部状态，以实时地调整某些参数（例如发射功率、载波频率和调制方式）.综合RF的变化，实现2个主要目标：无论何时何处高可靠性的通信和无线电频谱的高效利用.根据定义，认知终端是（人工）智能终端设备，能够从存在的无线网络中智能地选择适当的网络.这种选择基于时间、需求和资源.

对于移动和无线通信技术，从4G始，“互用性”就是最重要的，5G也是这样.“互用性”系统意味着任何不同技术的系统可以协同工作并相互通信.使用认知无线终端，5G能实现互操作性，并保持一个好的服务质量.在认知系统中，系统可以根据位置、状态选择最佳的网络.不同的无线网络整合并可通过认知无线设备相互通信.因此，在5G网络异构性条件下，认知无线技术是满足用户服务质量的最佳选择.

2.2 大规模MIMO技术

本质上，MIMO系统的容量是多天线信道的容量问题，MIMO技术利用空间中的多径因素，在发送端和接收端采用多个天线，通过空时处理技术实现分集增益或复用增益，充分利用空间资源，提高频谱利用率.

在LTE阶段，MIMO技术表现为每个移动终端设备2至4天线，基站扇区至多8天线.这是由于单用户MIMO（SU-MIMO）的规模受限于可容纳在一个移动设备上的天线数量.然而，由于每个基站多用户同时通信，MIMO多用户版（MU-MIMO）可以有效地将这些用户的天线整合起来以克服这一瓶颈.此时，MIMO规模将取决于用户和基站天线数量中较小的值.

这个概念最初被称为“大规模天线系统”，但现在更多地被称为“大规模MIMO”，在此构想中，天线的数目和现在相比增加了1-2个数量级，每个基站天线的数量可以达到数百，甚至基站天线的数量比每时频信号源的活跃用户数量都大很多，也不足为奇.

2.3 高频段的使用

当前，中国的国际移动通信系统（IMT）包括2G，3G系统，以及刚商用的4G（LTE）系统.可以看到，2.6G以下的频率资源基本已经枯竭，投入大量新的频谱是唯一的途径.

微波频段已经饱和，大量空闲的谱资源在微米波频段却是确实存在的.毫米波至今闲置不用的主要原因，是因为其不利的传播特性被认为是不适合用于移动通信，包括较强的路径损耗、大气及雨水引起的衰减、周围障碍物的低的衍射和穿透性，特别是强的相位噪声和昂贵的设备成本.曾经主流的观点是特殊的60 GHz免执照频段频率，主要适合用于短距离传输.然而，随着半导体技术的成熟，其成本迅速下降，并且其它相关传播特性的障碍也被认为是可逐步克服的.

5G毫米波使用的研究发现：如果有源天线的尺寸是恒定的，频率增加则覆盖半径收缩，其有效半径正比于λ2/4π，并且收发天线之间自由空间的路径损耗与载波频率的平方成正比.因此，载波频fc从3增加至30 GHz，在收发距离间无论如何将增加20 dB损耗.然而，如果当频率增加时，天线的覆盖半径在链路一端保持常量，路径损耗也能保持不变.如果两端天线半径均保持常量，路径损耗将以fc2减少：功率增益，更广泛的信号带宽可帮助抵消较高的底噪.因此，5G可能使用微米波，如6 GHz以上高频段.

2.4 无线接入技术

2.4.1 射束分割多址技术（BDMA）

有限的频谱资源对于移动和无线技术而言是一个重大的挑战，即如何把有限的频率和时间分配给不同用户.由于这个情况，要实现提高系统的容量和质量，目前使用的多址技术包括频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）、正交频分多址（OFDMA）等.然而，现在使用的所有多址技术中，通信系统容量依赖于时间和频率.如何发展多址接入系统，提高有限频率的系统容量是一个新的挑战.韩国研究者建议BDMA作为5G的无线接口，而BDMA不依赖于频率、时间资源.

目前发明的BDMA技术，根据MS的位置分配天线波束，实现多址接入，从而显著增加系统的容量.按此观点，MS和基站在视距（LOS）的状态，因此他们明确知道彼此的位置.在此条件下，他们能够将波束直接传送到彼此的位置以通信，而不受移动台在小区边缘的干扰.

为了在5G中适应BDMA，就要发展相位阵列天线.智能天线要能够调整波束.调整波束天线通过收集从基站和MS到达角（AOA）信息设置无线配置.自适应天线阵列的使用，是提高能力的一个可能性.

2.4.2 非正交多址接入技术(NOMA)

5G的无线接入技术目前还有的观点关注多载波调制，如滤波器组多载波（FBMC，_lter-bank based multicarrier），其天然的非正交性和不需要先前的分布式发射机同步.一种新的调制方式，被称为通用滤波后的多载波（UFMC）被提出.开始是OFDM信号，过滤相邻子载波组，以减少时间/频率同步造成的旁瓣水平和载波间干扰.要解决OFDMA正交的时间窗口的缺点，即需要较大的保护带CP，使用多载波滤波器组就可以允许大的传输时延和任意高的频率补偿.日益发展的软件无线电，FFT块的大小，子载波间隔和CP长度可根据信道条件改变.因此，OFDMA允许一些参数可调，可以很好地适应5G的要求.

2.5 D2D（device to device）通信

5G网络的密集性和异构性，带来很多新的网络建模分析、设计和优化的挑战.对于持续存在致密性小区收缩另一个方法在D2D通信模式中.

所谓D2D通信，允许邻近的用户建立直接的通信，以一个相对“短直跳”取代两个通过基站无线“长跳”.当无线业务存在较大空间局部性，D2D通信将带来更少的功耗，更高的数据速率，以及更短的时延.因此D2D也必将对5G网络起到重要的作用.

3 结束语

关于5G的整体思路是建立在现有的技术演进，辅以必要的新的无线接入技术，如大规模MIMO、超密集网络、D2D通信、超可靠性的网络等.预计在2020年，新频带的开发将支持大幅增加在移动数据量，并拓宽移动通信的应用领域.

[1]AfifOsseiranetc.Scenarios for 5G Mobile and Wireless Communications:The Vision of the METIS Project[J].IEEE Communications Magazine，2014：25（6）：26-27

[2]余莉.第五代移动通信网络体系架构及其关键技术[J].重庆邮电大学学报（自然科学版)，2014，26（4）：429-430.

[3]Jeffrey G.Andrews etc.What Will 5G Be?[J].Ieee Journal On Selected Areas In Communications，2014，32（6）：1065-1067.

（责任编辑 李健飞）

A Research of 5G Mobile Communication and its Key Technology

SHI Jiong
（Department of Telecom Communication Engineering，Anhui Vocational College of Post&Telecommunication，Hefei，Anhui 230031，China）

As for communication society in China，the year of 2014 stands for the first commercial year. The technology of post-4G age is called 5G.Compared to 4G in terms of the user peak rate，transmission delay，density of the connected devices，traffic density and the mobility，5G has a significant improvement. What is highly concerned about 5G at present mainly includes ultra dense network，large scale MIMO，new technology of wireless access，and new frequency bands.Though 5G is not clearly defined now，it is bound to play a dominant role in the coming mobile communication.

current development of 5G；5G key technology

TN929.5

：A

：1673-1972（2015）06-0013-03

2015-06-16

石炯（1972-），女，浙江上虞人，副教授，主要从事移动通信技术研究.