G通信系统.docx

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G通信系统

5G通信系统

摘要5G，第五代移动通信技术，也是4G之后的延伸，目前正在研究中。

本文主要介绍了什么是5G通信系统，5G的优势及其主要技术。

5G有以下六大关键技术：

高频段传输；新型多天线传输技术；同时同频全双工技术；D2D技术；密集组网和超密集组网技术；新型网络架构。

本文有重点介绍这六大技术。

关键词5G通信5G优势新型多天线传输技术新型网络架构

Abstract5G,thefifthgenerationmobilecommunicationstechnology,isalsoanextensionof4G,,:

highfrequencytransmission,newmultiantennatransmissiontechnology,simultaneousfullduplextechnology,D2Dtechnology,densenetworkingandultradensenetworkingtechnology,.

Keywords5Gcommunication5Gadvantagenewmultiantennatransmissiontechnologynewnetworkframework

引言

在移动通信领域：

第一代是模拟技术；第二代实现了数字化语音通信；第三代是人们熟知的3G技术，以多媒体通信为特征；第四代是4G技术，通信速率大大提高，标志着进入无线宽带时代；简单来看，5G的速度将会更快，而功耗将低于4G，从而带来一系列新的无线产品。

中移动副总裁李正茂曾经发言要求5G时代的电信设备大幅度降价：

“4G到5G时代，单位比特的传输成本降低了1000倍，那么我们也希望电信设备价格也降低1000倍，成本是决定运营商在数据时代能否盈利的关键”

一5G简介

1：

5G，第五代移动通信技术，也是4G之后的延伸，目前正在研究中。

目前还没有任何电信公司或标准订定组织（像3GPP、WiMAX论坛及ITU-R）的公开规格或官方文件有提到5G。

2：

5G有以下特点：

1）5G研究在推进技术变革的同时将更加注重用户体验,网络平均吞吐速率、传输时延以及对虚拟现实、3D、交互式游戏等新兴移动业务的支撑能力等将成为衡量5G系统性能的关键指标.

2）与传统的移动通信系统理念不同,5G系统研究将不仅仅把点到点的物理层传输与信道编译码等经典技术作为核心目标,而是从更为广泛的多点、多用户、多天线、多小区协作组网作为突破的重点,力求在体系构架上寻求系统性能的大幅度提高.

3）室内移动通信业务已占据应用的主导地位,5G室内无线覆盖性能及业务支撑能力将作为系统优先设计目标,从而改变传统移动通信系统“以大范围覆盖为主、兼顾室内”的设计理念.

4）高频段频谱资源将更多地应用于5G移动通信系统,但由于受到高频段无线电波穿透能力的限制,无线与有线的融合、光载无线组网等技术将被更为普遍地应用.

5）可“软”配置的5G无线网络将成为未来的重要研究方向,运营商可根据业务流量的动态变化实时调整网络资源,有效地降低网络运营的成本和能源的消耗.

二5G的关键技术

5G有以下六大关键技术：

高频段传输；新型多天线传输技术；同时同频全双工技术；D2D技术；密集组网和超密集组网技术；新型网络架构。

1高频段传输

移动通信传统工作频段主要集中在3GHz以下，这使得频谱资源十分拥挤，而在高频段（如毫米波、厘米波频段）可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，可以实现极高速短距离通信，支持5G容量和传输速率等方面的需求。

　　高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势，业界对此高度关注。

足够量的可用带宽、小型化的天线和设备、较高的天线增益是高频段毫米波移动通信的主要优点，但也存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。

射频器件、系统设计等方面的问题也有待进一步研究和解决。

监测中心目前正在积极开展高频段需求研究以及潜在候选频段的遴选工作。

高频段资源虽然目前较为丰富，但是仍需要进行科学规划，统筹兼顾，从而使宝贵的频谱资源得到最优配置。

2新型多天线传输技术

多天线技术经历了从无源到有源，从二维（2D）到三维（3D），从高阶MIMO到大规模阵列的发展，将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高，是目前5G技术重要的研究方向之一。

　　由于引入了有源天线阵列，基站侧可支持的协作天线数量将达到128根。

此外，原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列，形成新颖的3D-MIMO技术，支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，结合高频段毫米波技术，将进一步改善无线信号覆盖性能。

　　目前研究人员正在针对大规模天线信道测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、码本及反馈机制等问题进行研究，未来将支持更多的用户空分多址（SDMA），显着降低发射功率，实现绿色节能，提升覆盖能力。

3同时同频全双工技术

现有的无线通信系统中,由于技术条件的限制,不能实现同时同频的双向通信,双向链路都是通过时间或频率进行区分的,对应于TDD和FDD方式.由于不能进行同时、同频双向通信,理论上浪费了一半的无线资源（频率和时间）。

最近几年，同时同频全双工技术吸引了业界的注意力。

利用该技术，在相同的频谱上，通信的收发双方同时发射和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，从理论上可使空口频谱效率提高1倍。

　　由于接收和发送信号之间的功率差异非常大,导致严重的自干扰，因此实现全双工技术应用的首要问题是自干扰的抵消。

目前为止，全双工技术已被证明可行，但暂时不适用于MIMO系统。

4D2D技术

Device-to-Device（D2D）通信是一种在系统的控制下，允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术，它能够增加蜂窝通信系统频谱效率，降低终端发射功率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。

由于短距离直接通信，信道质量高，D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；通过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用；支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。

目前，D2D采用广播、组播和单播技术方案，未来将发展其增强技术，包括基于D2D的中继技术、多天线技术和联合编码技术等。

5密集和超密集组网技术

在未来的5G通信中，无线通信网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向演进。

随着各种智能终端的普及，数据流量将出现井喷式的增长。

未来数据业务将主要分布在室内和热点地区，这使得超密集网络成为实现未来5G的1000倍流量需求的主要手段之一。

超密集网络能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。

未来，面向高频段大带宽，将采用更加密集的网络方案，部署小小区/扇区将高达100个以上。

其中，干扰消除、小区快速发现、密集小区间协作、基于终端能力提升的移动性增强方案等，都是目前密集网络方面的研究热点。

6新型网络架构

目前，LTE接入网采用网络扁平化架构，减小了系统时延，降低了建网成本和维护成本。

未来5G可能采用C-RAN接入网架构。

C-RAN是基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线接入网构架。

C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。

C-RAN架构适于采用协同技术，能够减小干扰，降低功耗，提升频谱效率，同时便于实现动态使用的智能化组网，集中处理有利于降低成本，便于维护，减少运营支出。

目前的研究内容包括C-RAN的架构和功能，如集中控制、基带池RRU接口定义、基于C-RAN的更紧密协作，如基站簇、虚拟小区等。

三5G的优势

对于数消费者而言，5G的价值在于它拥有比4gLTE更快的速度（峰值速率可达几十Gbps），例如你可以在一秒钟内下载一部高清电影，而4GLTE可能要10分钟。

也正是因为这一得天独厚的优势，业界普遍认为5G将在无人驾驶汽车、VR以及物联网等领域发挥重要作用。

和4G相比，5G的提升是全方位的，按照3GPP的定义，5G具备高性能、低延迟与高容量特性，而这些优点主要体现在毫米波、小基站、MassiveMIMO、全双工以及波束成形这五大技术上。

1.毫米波

众所周知，随着连接到无线网络设备的数量的增加，频谱资源稀缺的问题日渐突出。

至少就现在而言，我们还只能在极其狭窄的频谱上共享有限的带宽，这极大的影响了用户的体验。

那么5G提供的几十个Gbps峰值速度如何实现呢？

众所周知，无线传输增加传输速率一般有两种方法，一是增加频谱利用率，二是增加频谱带宽。

5G使用毫米波（）就是通过第二种方法来提升速率，以28GHz频段为例，其可用频谱带宽达到了1GHz，而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则为2GHz。

在移动通信的历史上，这是首次开启新的频带资源。

在此之前，毫米波只在卫星和雷达系统上被应用，但现在已经有运营商开始使用毫米波在基站之间做测试。

当然，毫米波最大的缺点就是穿透力差、衰减大，因此要让毫米波频段下的5G通信在高楼林立的环境下传输并不容易，而小基站将解决这一问题。

2.小基站

上文提到毫米波的穿透力差并且在空气中的衰减很大，但因为毫米波的频率很高，波长很短，这就意味着其天线尺寸可以做得很小，这是部署小基站的基础。

可以预见的是，未来5G移动通信将不再依赖大型基站的布建架构，大量的小型基站将成为新的趋势，它可以覆盖大基站无法触及的末梢通信。

因为体积的大幅缩小，我们设置可以在250米左右部署一个小基站，这样排列下来，运营商可以在每个城市中部署数千个小基站以形成密集网络，每个基站可以从其它基站接收信号并向任何位置的用户发送数据。

当然，你大可不必担心功耗问题，小基站不仅在规模上要远远小于大基站，功耗上也大大缩小了。

除了通过毫米波广播之外，5G基站还将拥有比现在蜂窝网络基站多得多的天线，也就是MassiveMIMO技术。

现有的4G基站只有十几根天线，但5G基站可以支持上百根天线，这些天线可以通过MassiveMIMO技术形成大规模天线阵列，这就意味着基站可以同时从更多用户发送和接收信号，从而将移动网络的容量提升数十倍倍或更大。

MIMO（Mulple-InputMulple-Output）的意思是多输入多输出，实际上这种技术已经在一些4G基站上得到了应用。

但到目前为止，MassiveMIMO仅在实验室和几个现场试验中进行了测试。

隆德大学教授OveEdfors曾指出，“MassiveMIMO开启了无线通讯的新方向——当传统系统使用时域或频域为不同用户之间实现资源共享时，MassiveMIMO则导入了空间域（spaaldomain）的途径，其方式是在基地台采用大量的天线以及为其进行同步处理，如此则可同时在频谱效益与能源效率方面取得几十倍的增益。

”

毋庸置疑，MassiveMIMO是5G能否实现商用的关键技术，但是多天线也势必会带来更多的干扰，而波束成形就是解决这一问题的关键。

4.波束成形

MassiveMIMO的主要挑战是减少干扰，但正是因为MassiveMIMO技术每个天线阵列集成了更多的天线，如果能有效地控制这些天线，让它发出的每个电磁波的空间互相抵消或者增强，就可以形成一个很窄的波束，而不是全向发射，有限的能量都集中在特定方向上进行传输，不仅传输距离更远了，而且还避免了信号的干扰，这种将无线信号（电磁波）按特定方向传播的技术叫做波束成形（beamforming）。

这一技术的优势不仅如此，它可以提升频谱利用率，通过这一技术我们可以同时从多个天线发送更多信息；在大规模天线基站，我们甚至可以通过信号处理算法来计算出信号的传输的最佳路径，并且最终移动终端的位置。

因此，波束成形可以解决毫米波信号被障碍物阻挡以及远距离衰减的问题。

除此之外，最后要提到5G的另一大特色——全双工技术。

5.全双工

全双工技术是指设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作，使得通信两端在上、下行可以在相同时间使用相同的频率，突破了现有的频分双工（FDD）和时分双工（TDD）模式，这是通信节点实现双向通信的关键之一，也是5G所需的高吞吐量和低延迟的关键技术。

在同一信道上同时接收和发送，这无疑大大提升了频谱效率。

但是5G要使用这一颠覆性技术也面临着不小的挑战，根据《移动通信》之前发布的资料显示，主要有一下三大挑战：

1.电路板件设计，自干扰消除电路需满足宽频（大于100MHZ）和多MIMO（多于32天线）的条件，且要求尺寸小、功耗低以及成本不能太高。

2.物理层、MAC层的优化设计问题，比如编码、调制、同步、检测、侦听、冲突避免、ACK等，尤其是针对MIMO的物理层优化。

3.对全双工和半双工之间动态切换的控制面优化，以及对现有帧结构和控制信令的优化问题。

四结论

5G无线网络系统的建立是建立在现有无线网络技术的进步以及新的无线接入技术的研发的基础之上。

因此，尽管5G的势头远远超过了之前的4G，但5G的未来仍充满了不确定性，现在我们需要等待的是这些技术从实验阶段走向实用。

参考文献

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浅析5G移动通信技术及未来发展趋势[J].新聚焦，2014（12）：

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