5G通信關(guān)鍵技術(shù)探究

劉晨+陳鵬

摘 要：第五代通信技術(shù)（5G）不同于以前的通信技術(shù)，技術(shù)上有了很大的更新。無線傳輸技術(shù)方面采用了大規(guī)模天線技術(shù)，新的編碼技術(shù)與信道建模。無線接入方面采取了新的針對不同場景的技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上，5G采用了C-RAN與D2D技術(shù)。5G不僅僅是數(shù)據(jù)速度的提升，更是人類能力的延伸。文章預(yù)計在2020年5G將正式應(yīng)用于大眾生活。

關(guān)鍵詞：5G；無線傳輸技術(shù)；無線接入；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1 通信系統(tǒng)概述

自從20世紀(jì)70年代第一代通信系統(tǒng)產(chǎn)生，應(yīng)用到今天，移動通信已經(jīng)從模擬語音發(fā)展到了移動寬帶服務(wù)技術(shù)，終端用戶不斷增加，數(shù)據(jù)速率不斷提高。第五代通信技術(shù)5G與之前的通信業(yè)務(wù)相比通信速率更大、容量更大、端到端的時延變小。5G業(yè)務(wù)面向的是多場景業(yè)務(wù)，在多樣化設(shè)備情況下也要求達(dá)到始終如一的用戶體驗質(zhì)量。

在2015年國際電信聯(lián)盟發(fā)布了《IMT愿景—2020年之后IMT未來發(fā)展的框架和總體目標(biāo)》，開啟了5G研究。2017年進(jìn)行5G技術(shù)方案候選征集[1]，如圖1所示。2018年完成5G標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定，2019年開始5G的產(chǎn)品研發(fā)。

2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)將多種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，不僅包括原來的傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、WiFi等網(wǎng)絡(luò)，還進(jìn)一步增加了相匹配的大規(guī)模多天線網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可見光通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備直連通信等。將這些網(wǎng)絡(luò)通過一個統(tǒng)一的核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管控，以超快的速率和超低時延將各個網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行信息交互實現(xiàn)多場景的通信與控制[2]。

如圖2所示，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以分成3個方面，分別是控制平面，接入平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面。其中，控制平面是集中控制和集中調(diào)度無線資源的平面。接入平面是實現(xiàn)多種無線設(shè)備和基站之間的快速靈活接入。轉(zhuǎn)發(fā)平面是通過分布式網(wǎng)關(guān)和在控制平面的統(tǒng)一控制下實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和靈活性。

3 5G關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無線傳輸技術(shù)

3.1.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模MIMO技術(shù)深度利用空間維度資源使得網(wǎng)絡(luò)中多個用戶在同一時間和基站進(jìn)行通信，同時具有降低干擾，提高功率的特點(diǎn)。針對5G系統(tǒng)MIMO技術(shù)會帶來很多優(yōu)勢，包括空間分辨率的大大提升，集中特定方向和用戶實現(xiàn)可靠傳輸，提升頻譜利用率和能量利用率等。基于以上優(yōu)點(diǎn)，MIMO技術(shù)被認(rèn)為是5G系統(tǒng)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。

但是MIMO技術(shù)也有一些問題需要解決，如導(dǎo)頻污染問題。當(dāng)相鄰小區(qū)采用同一套訓(xùn)練序列時，或者采用的導(dǎo)頻非正交時，這兩種情況下會產(chǎn)生導(dǎo)頻污染。因此TDD時分雙工和FDD頻分雙工在實際應(yīng)用中有很大的區(qū)別。由于信道互惠策略，大規(guī)模天線技術(shù)應(yīng)采用TDD系統(tǒng)。此外，MIMO系統(tǒng)成本較高，因此搭建大規(guī)模多天線系統(tǒng)還是很難的[3]。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

3.1.2 信道建模

信道建模通過對信道抽象性信息特征的提取和描述，用一系列相關(guān)參數(shù)表征無線信道物理特征，進(jìn)而準(zhǔn)確刻畫信道的傳播機(jī)制。信道建模是評估無線技術(shù)最主要的特征之一。針對5G，信道建模有了新的特征。

（1）空間的雙移動性和連續(xù)性。傳統(tǒng)信道是一個移動端，另一個接收端是固定的，但是5G網(wǎng)絡(luò)中融合了D2D通信，要求發(fā)射端和接收端都是移動的，而非固定。這就要求新的信道建模建立在空間的雙移動性上。根據(jù)實際的需要要求空間建模具有連續(xù)性[4-5]。（2）大規(guī)模多天線陣列。要求球面波代替以前的平面波，由于天線陣列增加，衰落表現(xiàn)出非靜態(tài)[6]。（3）高頻段信道。未來短距離通信速率達(dá)到幾G，十幾G，大量毫米波段將是新的應(yīng)用前景。毫米波段具有高敏感性、高散射、高路損的特點(diǎn)[7]。隨著5G技術(shù)的深入研究，有不同的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)也對其進(jìn)行了建模。

3.1.3 信道編碼

相對比4G，5G采用了密度奇偶校驗（LDPC）碼和極化（polar）碼作為信道編碼。其中LDPC碼用于數(shù)據(jù)信道編碼方案，而polar碼用于控制信道信息的編碼方案。LDPC碼最早是由Gallager在其博士論文中提出來的，是一種具有稀疏奇偶校驗矩陣的分組碼。早期由于硬件電路的限制，LDPC碼一直沒有受到重視，到現(xiàn)在硬件發(fā)展了，LDPC碼具有很強(qiáng)的抗干擾性，比較復(fù)雜。現(xiàn)在LDPC碼研究主要集中在尋找低復(fù)雜度的編碼和譯碼方案。Polar碼是由Arikan提出的。Polar碼是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)的唯一能達(dá)到香農(nóng)極限的編碼方案，可以由簡單的譯碼器和編碼器實現(xiàn)，具有較低的復(fù)雜度[8]。

3.1.4 全雙工技術(shù)

全雙工技術(shù)也叫作同時同頻全雙工技術(shù)（CCFD）。全雙工技術(shù)指移動終端可以在同一時段同一頻率發(fā)送和接收信號。全雙工技術(shù)多采用收發(fā)獨(dú)立天線，當(dāng)收發(fā)天線距離較近并且功率差別較大時，接收天線會產(chǎn)生強(qiáng)烈的自干擾。如何消除自干擾是全雙工技術(shù)的核心問題。現(xiàn)有的消除自干擾的技術(shù)主要是針對物理層干擾消除的方法[9]。

3.2 無線接入技術(shù)

多址技術(shù)是每一代通信最具區(qū)別性的特征。5G除了支持傳統(tǒng)的正交頻分多址技術(shù)（OFDMA）以外還支持多種新型的多址技術(shù)，包括非正交多址接入（NOMA）、稀疏編碼多址接入（SCMA）、圖樣分割多址接入（PDMA）、多用戶共享接入（MUSA）等多種新型接入技術(shù)[10]。

3.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

3.3.1 C-RAN

由于5G網(wǎng)絡(luò)擁有更大的系統(tǒng)容量、更少的時延和更多樣化的場景，所以對接入網(wǎng)絡(luò)有更高的要求。針對5G網(wǎng)絡(luò)本文提出了一種基于云的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)C-RAN。C-RAN網(wǎng)絡(luò)具有集中化處理、協(xié)作式無線電和實時云計算構(gòu)架的特點(diǎn)，是一種綠色無線接入網(wǎng)構(gòu)架。分布式的遠(yuǎn)端無線射頻單元（RRH）形成一個個高容量的網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)端射頻單元通過低延時高帶寬的光傳輸網(wǎng)絡(luò)與集中式基帶處理池（BBU pool）連接起來。C-RAN具有減少基站機(jī)房數(shù)量、提高功率、節(jié)約成本、減少延時的特點(diǎn)[11]。

3.3.2 D2D

通信設(shè)備之間直接通信（Device to Device Communication，D2D）指的是兩個通信設(shè)備之間無需通過基站進(jìn)行通信的新技術(shù)。由于降低時延，提升系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能、減少基站壓力的特性，D2D將會是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢。比如在車聯(lián)網(wǎng)中，人車、車車、車路之間進(jìn)行頻繁的短程通信，通過D2D技術(shù)可以大大減少時延，提高通信質(zhì)量[12]。

4 結(jié)語

本文介紹總結(jié)了5G的發(fā)展歷程，通過無線傳輸技術(shù)、無線接入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3個方面介紹了5G的關(guān)鍵技術(shù)。未來5G網(wǎng)絡(luò)將朝著高度靈活、智能、開放以及綠色節(jié)能的方向發(fā)展。5G標(biāo)準(zhǔn)草案將于2017年11月份敲定并通過。據(jù)研究人員預(yù)測，正式的5G標(biāo)準(zhǔn)將于2019年最終敲定并面世。預(yù)計在2020年，5G將成為主要的移動通信系統(tǒng)。