5G关键技术简述
天净沙秋思扩写-
5G
关键技术简述
第
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目录
目录
.
..
..................................................
..................................................
..........................
-
2 -
一、研究的背景及意义
.
.............................
..................................................
..........
-
3 -
二、
5G
的演进路线及发展现状
.
..................
..................................................
.......
-
4 -
三、
5G
网络的优势及创新点
.
......................
..................................................
.......
-
6 -
四、
5G
的七大关键技术
.
........................
..................................................
....................
-
7
-
1
、非正交多址接入技术（
Non-
Orthogonal Multiple Access
，
N
OMA
）
..........
-
7 -
1.1
串行干扰删除
(SIC)
..
..................................................
........................
-
8
-
1.2
功率复用
.......................
..................................................
...................
-
9
-
2
、滤波组多载波技术（
FBMC
）
................
..................................................
.....
-
10 -
3
、毫米波（
Millimeter
Waves
，
mm Waves)
.......................................
.............
-
11
-
3.1
毫米波小基站：增强高速环境下移动通信的使用体验
..............
-
12
-
3.2
基于毫米波的移动通信回程
...............
...........................................
-
13 -
4
、大规模
MIMO
技术（
3D /Massive MIMO
）
.
..............................
.................
-
13
-
5
、认知无线电技术（
Cognitive radio spectrum sensing techniques
）
.
.............
-
17 -
6
、超密度异构网络（
ultra-
dense Hetnets
）
.<
/p>
........................................
..............
-
17
-
7
、多技术载波聚合（
multi-
technology carrier
aggregation
）
.
..........................
-
20 -
五、
5G
未来前景
.
..................................
..................................................
....................
-
20
-
六、参考文献
< br>.
...................................
..................................................
.........................
-
21 -
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一、研究的背景及意义
自
2009
年
5
月
27
日瑞典电信运营商
Telia
宣布启用世界上第一个
4G
（
LTE
：
Long
Term
Evoluti
on
）试商用网络以来，
4G
网络的部
署已在全球
全面开花。根据
GSA
的最
新报告，截至
2014
年第
2
季度，全球
111
个国家
已经部署了
300
多张
LTE
网络（其中
41
张为
TD-LTE
网络），用户总数达
到
2
.45
亿，市面上的
LTE
终端达
1900
款。
2013
年
12
月
4
日，工信部正式
向三大电信运营商发放
4G
< br>牌照，中国移动、中国联通、中国电信均获得
TD
-LT
E
牌照。此举标志着中国这一世界上最大的移动通信市场正式进入
4G
时
代。在短短一年间，中国移动的
4G
基站数达到了
70
万个，
4G
用户即将达
到
7
000
万。从统计数据来看，
4G
网络
的发展速度远超当年的
3G
网络，是
移
动通信史上发展速度最快的技术体制，中国的加入将进一步刷新这一发展
速度。
有两个主要因素决定着面向下一代移动通信系统的技术研发工作需要提
上日程。一方面是通信技术自身持续发展的需要：随着
4G
标准的全面商
用，标志着以
4G
标准为目标的技术研发告一段落，而技术的发展是不会止
步的，持续不断的
创新技术需要在下一代移动通信系统中体现它的价值。另
一方面是由持续增长的用户需求
决定的：智能手机的高速发展引发了互联网
从固定桌面快速向移动终端转移的革命，并带
来了无线数据流量的指数级增
长。过去
5
年中，中国移动的数据流量增长了
80
多倍。同时物联网的引
入
及快速发展，不仅对无线通信网络的容量提出了要求，更对无线通信网络能
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够提供的连接数有数量级的提高要求。业界普遍预测，到
2020
年，移动通
信网络的容量需求是目
前网络的
1000
倍，连接数将是
10
~100
倍。
2012
年年初
,
ITU
启动了名为
“IMT
for
2020
and
beyond”
的项目，目标
瞄准下一代移动通
信标准，并初步给出了时间规划。第一步会在两到三年的
时间内完成两份面向未来通信系
统的建议稿，分别是
ITU-R
M.[
N]
及
ITU-R
M.[IMT
Future
Technology
Trend]
。基于此，目前业界对下一代
移动通信系统统一
称为
IMT-2020
。世界各个国家和地区积极响应
ITU
的规
划，制定了相应的科研规划及经费资
助计划，组织企业、科研院校等进行科
研攻关。部分早期的研究成果通过
5G
白皮书的形式发表，包括需求分析、
应用场景研究
及技术发展趋势判断等。
二、
5G<
/p>
的演进路线及发展现状
目前，
4G
已经进入规模商用阶段，
5G
是继
4G
后新一代的移动通信技
术，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，未来
5G
移
动通信技术的演进存在三条重要的演进路线，
分别为以
LTE/LTE-Advanced
为
代表的蜂窝演进路线；
WLAN
演进路线和革命性演进
路线。首先，
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。
在产业化方面，
LTE
在全球范围内的商用化进程不断加快。
标准化方面，
3GPP
R12
版本的
标准化工作正在对小小区增强技术、
新型多天线技术、
终端直通
技
术、
机器间通信等新技术开展研究和标准化工作。
随着更多的先进技术融入到
LTE/LTE-Advanced
技术标准中，
给蜂窝移动通信带来了强大的生命力和发展
< br>潜力。
第
4
< br>页
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其次，无线局域网（
WLAN
）是当今全球应用最为普及的宽带无线接入
< br>技术之一，拥有良好的产业和用户基础，巨大的市场需求推动了
WLAN
技术
的发展，大量的非授权频段也给
WLAN<
/p>
技术提供了巨大的发展空间。目前，
IEEE
已经启动了下一代
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。
此外，我们还应当特别关注可能出现的革命性
5G
技术。从蜂窝移动通
信的演进路线来看，每一代演
进都有革命性技术出现，从
2G
的
GS
M
到
3G
的
C
DMA
，再到
4G
的
< br>OFDM
，那么，
5G
是否会出
现新一代的革命性技术，
而这种革命性技术是否需要与
LTE<
/p>
演进采用不同的技术路线，进而产生新一
代的空中接口技术，将成
为我们重点关注的内容。
从目前
网络技术发展现状来看，
4G
是现阶段使用最多的技术，但是整
个业界已经开始了对
5G
的研讨和研发
，
5G
简单的来说是形成人与物和物与
物之间的高速连接，实现整个网络，终端，无线和业务的进一步融合。
5G
可
以说是人在感知方面的获取和控制能力更强，
5G
的服务对象是将公众用户向
行业用户拓展，
网络也将更智能和更加的广泛。
从目前的研究现状来看，
欧
盟
于
2012
年启动
< br>METIS
项目，正式开始研究
5G
技术，现阶段
METIS
共有
8<
/p>
个工作组进行相应横向课题研究，
目标是为建立
< br>5G
移动和无线通信系统奠定
基础，
为未移动通信和无线技术达成共识，
目前已经在
5G
的概念和关键技术
上获得了较为统一的认识。韩国从
< br>2013
年开始研发
5G
技术，
成立了
5G
Forum
，
积极推动
6GHz
以上频段为未来
IMT
频段，
韩国计划以
20
20
年实现
该技术的商用为目标，全面研发
5G
移动通信核心技术。日本于
2013
< br>年成立
了
ARIB
研究所，开始
正式对
5G
进行研究，计划在
2020
年东京奥运会上推
第
5
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< br>页
出
5G
服务，日本研究者认为
5G
代表
着接入网容量增加
1000
倍，通过使用
大量高频频谱，
再加上大规模
MIMO
技术来实现容量的增加，
可以说未来
5G
将会是人们通信生活的核心。
三、
5G
网络的优势及创新点
第一，全新应用。
5G
网络的普及将使得包
括虚拟现实和增强现实这些
技术成为主流。
< br>其中，增强现实可以将包括出行方向、产品价格或者对方名字等信息投射在
用户视
野中，比如可以投射在汽车的前挡风玻璃上。虚拟现实则可以在用户
视野内创造出一个完
全虚拟的场景，而无论是虚拟现实还是增强现实，都对
数据获取速度有着极高的要求。<
/p>
第二，即时满足。
4G
网络下的最快下载速度大约是每秒
150MB
，但<
/p>
5G
网络的最快下载速度则达到了每秒
1
0GB
。换句话说，我们仅需
4
秒钟就
可
以下载完《银河护卫队》，而
4G
网
络下则需要
6
分钟。
第三，瞬时响应。
除了可以在单位时间内传输更多数据以外，
5G
还可
以大幅缩短数据开始传输前的等待时
间。
我们在
4G
网络观看视频前等待数秒并不是什么太大的问题，但如果在
自动驾驶汽车行驶时碰到
数据延迟就完全不能接受了。具体来说，就目前
4G
网络而言，
该网络通常需要
15-25
毫秒的时间将数据传输给可能发生碰
撞
的车辆，然后车辆才会开始紧急制动。但在未来的
5G
网络下，这一数据的
传输时间将仅为
1
毫秒。
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四、
5G
的七大关键技术
为什么需要
5G
？不是因为通信工程师
们突然想改变世界，而炮制了一个
5G
。是因为先有了需求，才
有了
5G
。什么需求？
未来的网络将会面对：
1000
倍的数据容量增长，
10
到
100
倍的无线设备
连接，
10
到
100
倍的用户速率需求，
10
< br>倍长的电池续航时间需求等等。坦
白的讲，
4G
网络无法满足这些需求，所以
5G
就必须登场。
但是，
5G
不是一次革命。
5G
是
4G
的延续，相信
5G
在核心网部分不会
有太大的变动，
5G
的关键技术集中在无线部分。虽
然
5G
最终将采用何种技
术，目前还没
有定论。本文收集了
7
大关键技术，分别对这些技术作简要介<
/p>
绍。
1
、非正交多址接入技术（
Non-
Orthogonal Multiple Access
，
N
OMA
）
NOMA
< br>不同于传统的正交传输，在发送端采用非正交发送，主动引入干
扰信息，在接收端
通过串行干扰删除技术实现正确解调。与正交传输相比，
接收机复杂度有所提升，但可以
获得更高的频谱效率。非正交传输的基本思
想是利用复杂的接收机设计来换取更高的频谱
效率，随着芯片处理能力的增
强，将使非正交传输技术在实际系统中的应用成为可能。<
/p>
NOMA
的思想是，
重拾
3G
时代的非正交多用户复用原理，并将之融合于现在的
4G OFDM
技
术之中。
从
2G
，
3G
到
4G,
多用户复用技术无非就是在时域、频
域、码域上做文
章，而
NOMA
在
OFDM
的基础上增加了一个维度——功率域。新增这个功
第
7
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率域的目的是，利用每个用户不同的路径损耗来实现多用户复
用。如表
1
所
示：
在
NOMA
< br>中的关键技术：串行干扰删除、功率复用。
1.1
串行干扰删除
(SIC)
在发送端，类似于
CDMA
系统，引入干扰信息可以获得更高的频
谱效率
，但是同样也会遇到多址干扰
(MAI)
的问题。关于消除多址
干扰的问
题，在研究第三代移动通信系统的过程中已经取得很多成果，串行干扰删除
(SIC)
也是其中之一。
NOMA
在接收端采用
SIC
接收机来实现多用户检测
。
串行干扰消除技术的基本思想是采用逐级消除干扰策略，在接收信号中对用
户逐个进行判决，进行幅度恢复后，将该用户信号产生的多址干扰从接收信
号中减去，并对剩下的用户再次进行判决，如此循环操作，直至消除所有的
多址干扰。如
图
1
所示：
第
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页
/
共<
/p>
22
页
1.2
功率复用
SIC
在接收端消除多址干扰
(MAI)
，需要在接收信号中对用
户进行判决
来排出消除干扰的用户的先后顺序，而判决的依据就是用户信号功率大小。<
/p>
基站在发送端会对不同的用户分配不同的信号功率，来获取系统最大的性能
增益，同时达到区分用户的目的，这就是功率复用技术。发送端采用功率复
用技
术。不同于其他的多址方案，
NOMA
首次采用了功率域复用
技术。功
率复用技术在其他几种传统的多址方案没有被充分利用，其不同于简单的功
率控制，而是由基站遵循相关的算法来进行功率分配。在发送端中，对不同
< br>的用户分配不同的发射功率，从而提高系统的吞吐率。另一方面，
NOMA
在功率域叠加多个用户，在接收端，
SIC
< br>接收机可以根据不同的功率区分不
同的用户，也可以通过诸如
Turbo
码和
LDPC
码的
信道编码来进行区分。
这样，
NOMA
能够充分的利用功率域，而功率域是在
4G
系统中没有充分利
用的。与
OFDM
相比，
NOMA
具有更好的性能增益。
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22
页
< br>NOMA
可以利用不同的路径损耗的差异来对多路发射信号进行叠加，从
而提高信号增益。它能够让同一小区覆盖范围的所有移动设备都能获得最大
的可接入带宽，可以解决由于大规模连接带来的网络挑战。
NOMA
的另一优点是，无需知道每个信道的
CSI
（信道状态信息），从
而有望在高速移动场景下获得更好的性能，并能组建
更好的移动节点回程链
路。
2
、滤波组多载波技术（
FBMC
）
在
OFDM
系统中，各
个子载波在时域相互正交，它们的频谱相互重叠，
因而具有较高的频谱利用率。
OFDM
技术一般应用在无线系统的数据传输中，
在
OFDM
系统中，由于无线信道的多径效应，从而使符号间
产生干扰。为了
消除符号间干扰
(ISl)
，
在符号间插入保护间隔。
插入保护间隔的一般方法是符<
/p>
号间置零，
即发送第一个符号后停留一段时间
(
不发送任何信息
)
，
接下来再发
送第二个符号。在
OFDM
系统中，这样虽然减弱或消除了符号间干扰，由于
破坏了子载波间的正交性
，
从而导致了子载波之间的干扰
(ICI)
。
因此，
这种方
法在
OFDM
系统中不能采用。在
OFDM
系统中，为了既可以消除
ISI
，又可
以消除
ICI
，通常保护间隔是由
< br>CP
（
Cycle Prefix
，循环前缀来
)
充当。
CP
是
系统开销，不传输有效数据，从而降低了频谱效率。
而
FBMC
利用一组不交叠
的带限子载波实现多载波传输，
FMC
对于频偏
引起的载波间干扰非常小，
不需要
CP
（循环前缀）
，
较大的提高了频率效率。
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< br>
图
2 OFDMA
和
< br>FBMC
实现的简单框图
图
3 OFDM
和
FBMC
的波形对比
3
、毫米波（
Millimeter
Waves
，
mm Waves)
什么叫毫米波？频率
30GHz
到
30
0GHz,
波长范围
10
到
1
毫米。
由于足够量的
可用带宽，
较高的天线增益，
毫米波技术可以支持超高速的
传输率，且波束窄，灵活可控，可以连接大量设备。以下图为例：
第
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页
/<
/p>
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22
页