5G 移動通信關(guān)鍵技術(shù)綜述
蔣紅梅，伍玉霞
（桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西    桂林    541004 ）
摘　要：隨著 4G 的全球商用，5G 將發(fā)展為新一代無線移動通信系統(tǒng)，業(yè)界致力于 2020 年全面展開商用，目前該技術(shù)仍處于探索研發(fā)階段。結(jié)合國內(nèi)外通信的最新發(fā)展趨勢，簡要闡述了國內(nèi) 5G 的研究進展，重點論述了支撐 5G 通信的“4+1”關(guān)鍵技術(shù)，包括大規(guī)模 MIMO、新型多址、超密集組網(wǎng)、全頻段技術(shù)及全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
關(guān)鍵詞：移動通信； 5G； 關(guān)鍵技術(shù)
中圖分類號：TN929.5                     文獻標識碼：A                  文章編號：1008-3545(2015)04-0001-03

1　引言
隨著用戶需求的飛速膨脹，移動通信技術(shù)不斷地進行更新?lián)Q代，已從2G發(fā)展到3G，并且4G也進入規(guī)模商用階段，當前正在研究的5G（Fifth Generation，第五代移動通信）作為新一代無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，是4G技術(shù)的延伸。與4G相比，5G在傳輸速率和資源利用率等方面將有顯著的提高，其覆蓋能量、傳輸質(zhì)量、系統(tǒng)安全保障和用戶速率體驗也將進一步提高。5G的實現(xiàn)，將通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)與醫(yī)療、教育、物流等其他系統(tǒng)相融合，支持更多的應(yīng)用場景和實現(xiàn)萬物互通互聯(lián)；將會滿足人們對數(shù)據(jù)流量激增的需求和提供高帶寬的上網(wǎng)應(yīng)用；將會提供更靈活可靠的網(wǎng)絡(luò)連接和更智能化的網(wǎng)絡(luò)管理來提升用戶業(yè)務(wù)體驗[1]。

2　5G 研究進展

5G已成為國內(nèi)外移動通信領(lǐng)域的研究熱點，5G的研發(fā)也在國內(nèi)外如火如荼地展開。歐盟METIS、韓國5G論壇、日本ARIB、中國IMT-2020 (5G)推進組等組織已經(jīng)開始對5G愿景、關(guān)鍵技術(shù)、標準化等方面進行了前期研究。目前國外愛立信、諾基亞和三星企業(yè)，以及我國的華為、中興、大唐、移動企業(yè)和電信研究院等單位都致力于5G的研發(fā)。我國對5G的研發(fā)最早于2012年年初，當時成立了IMT-2020（5G）推進組，并啟動了5G研發(fā)項目。2013年5月在北京召開5G峰會，會上提出了“5G愿景展望”。 2014年5月發(fā)布第一份5G白皮書 ——《5G愿景與需求白皮書》，這標志著5G將成為整個通信行業(yè)最熱門的話題。2015年5月對5G概念和技術(shù)框架、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及頻譜研究等方面進行探討，同時，2015年9月召開了5G技術(shù)研討會，11月舉辦了未來5G信息通信技術(shù)國際峰會，該會宣布對5G接入網(wǎng)需求、信道模型等方面進行前期基本研究。我國計劃于2016年啟動性能需求研究，2017年主要征集5G候選技術(shù)提案，2018~2019年實現(xiàn)技術(shù)規(guī)范和評估方案， 2020年實現(xiàn)5G初期標準化。

3　5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)

對于支撐5G無線通信的關(guān)鍵技術(shù)，IMT-2020推進組提出了“4+1”關(guān)鍵技術(shù)，即“大規(guī)模MIMO、新型多址、超密集組網(wǎng)、全頻段技術(shù)”+ 全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3.1　大規(guī)模MIMO
在無線通信系統(tǒng)中，多天線技術(shù)具有提高系統(tǒng)頻譜效率和傳輸可靠性的優(yōu)勢，同時，頻譜效率和傳輸性能跟天線數(shù)目成正比，當頻譜資源和天線發(fā)射功率保持不變時，發(fā)射和接收端都可以配置多根天線來成倍提高系統(tǒng)容量，這就是多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）。目前無線通信系統(tǒng)中，收發(fā)端配置的天線數(shù)量都非常少，而大規(guī)模多輸入多輸出(Large Scale / Massive MIMO) 是非常多的天線集中配置在一個基站上，可以在同一時間同一頻率（同時同頻）的資源上實現(xiàn)多個用戶同時無干擾通信。與當前MIMO相比，其具有明顯的優(yōu)勢：
(1)較強的空間分辨率，大規(guī)模MIMO能滿足多
個用戶與單個基站在同一時頻上同時進行通信。
(2)大規(guī)模 MIMO 可實現(xiàn)多波束的智能賦型，可使定向和波束賦形能力更強，將顯著提高頻譜效率、降低發(fā)射功率。

(3)基站配置天線數(shù)目較多時，線性預(yù)編碼和檢測器將達到最佳性能狀態(tài)。但目前大規(guī)模 MIMO 技術(shù)研究存在局限性：未存在實際應(yīng)用場景的信道模型、信號檢測和預(yù)編碼技術(shù)復(fù)雜度高、存在導(dǎo)頻污染等，這些問題需要不斷地深入研究和完善[2,3]。 3.2　新型多址
5G系統(tǒng)中選擇基于濾波器組的多載波技術(shù)（Fil-ter Bank based Multicarrier，F(xiàn)BMC）作為新型多址技術(shù)，該技術(shù)利用四維的時域/頻域/碼域/空域疊加傳輸信號來提升系統(tǒng)頻譜效率和容納更多的用戶。該技術(shù)能解決5G系統(tǒng)中所面臨的多徑干擾和通信高速率傳輸與均衡接收技術(shù)之間的問題，雖然它采用時域非矩形脈沖能有效提高通信的整體性能，但它在實際應(yīng)用中存在著缺陷�，F(xiàn)有的信道估計、同步以及快速算法等與該技術(shù)相融合，其實現(xiàn)難度將會增加，同時，由于調(diào)制濾波器與原型濾波器的設(shè)計決定了多載波的性能，并且為了滿足頻率響應(yīng)特性，需要原型濾波器的長度遠遠超出子信道數(shù)量。這導(dǎo)致5G系統(tǒng)中FBMC技術(shù)難以在硬件上實現(xiàn)，其中，5G的濾波器組快速算法研究是FBMC技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容[2,4,5]。
3.3　超密集組網(wǎng)

未來5G通信網(wǎng)絡(luò)將以多元化、寬帶化、智能化為發(fā)展方向。智能終端的普及、互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，將會促使5G上網(wǎng)數(shù)據(jù)流量呈爆發(fā)式增長。未來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將主要分布在室內(nèi)和熱點密集地區(qū)，而密集組網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)流量增長將達到當前流量的1 000倍，能解決密集地區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸問題。超密集網(wǎng)絡(luò)能大幅度提高網(wǎng)絡(luò)功率和頻譜效率，擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍及擴展系統(tǒng)容量，并且業(yè)務(wù)分流時具有靈活的網(wǎng)絡(luò)部署。該技術(shù)與全頻段技術(shù)相結(jié)合將能實現(xiàn)小小區(qū)或者扇區(qū)數(shù)目超過一百個以上。

密集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架雖然在提高數(shù)據(jù)流量方面具有很大的發(fā)展前景，但是越發(fā)密集的網(wǎng)絡(luò)部署將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，小區(qū)間干擾尤其是信道干擾將嚴重制約該網(wǎng)絡(luò)性能；小區(qū)密度的增加和基站間距的減小將導(dǎo)致越區(qū)切換次數(shù)和切換失敗率顯著增加，嚴重影響用戶的正常使用。我國電信技術(shù)創(chuàng)新中心采用虛擬層技術(shù)來實現(xiàn)超密集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，利用多層虛擬網(wǎng)絡(luò)來解決干擾與切換問題，該技術(shù)被IMT-2020 (5G)推進組認可并寫入到《5G無線技術(shù)架構(gòu)》白皮書。

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