5G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, the fifth generation mobile communications technology, is also an extension of 4G, and is currently under study. This article mainly introduces what is the advantage and the main technology of 5G communication system, 5G. 5G has the following six key technologies: high frequency transmission, new multi antenna transmission

technology, simultaneous full duplex technology, D2D technology, dense networking and ultra dense networking technology, and new network architecture. This article focuses on these six technologies.

Key words 5G communication 5G advantage new multi antenna transmission technology new network framework

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），显著降低发射功率，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。 4 D2D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4g LTE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4G LTE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、Massive MIMO、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（26.5-300GHz）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Massive MIMO技术。

3.Massive MIMO

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Massive MIMO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（MulTIple-Input MulTIple-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，Massive MIMO仅在实验室和几个现场试验中进行了测试。