5G關鍵技術綜述

張冬梅

摘 要：5G是最新一代移動通信系統技術，目前已基本完成標準化和關鍵技術研究。本文簡介了5G系統架構，主要應用場景，重點對5G系統采用的關鍵技術進行介紹，最后展望了5G網絡未來的發展方向。

關鍵詞：5G；架構；大規模多天線；全雙工；編碼；多址技術

一、引言

20世紀70年代以來，移動通信從第一代的模擬語音通信發展到當前可以提供高質量移動寬帶多媒體服務，終端從k比特每秒上升到現在的G比特每秒，用戶體驗不斷提高。網絡流量不斷提升，新的無線技術也不斷地應用到移動通信系統中去。隨著人們對通信的需求不斷增長，現有的技術也逐漸無法滿足未來通信的需求。與前四代技術相比，第五代移動通信技術提供的業務種類和服務質量更加豐富。5G要面對多樣化場景的差異化性能需求，這就需要引進多種技術來滿足不同的通信場景。國際電信聯盟（ITU）是5G標準研制組織，其將5G命名為IMT-2020。ITU定義了5G主要應用場景，包括移動寬帶場景，大規模機器通信場景和高可靠低時延通信場景。

二、 5G網絡架構

5G網絡將融合多類現有或未來的無線接入傳輸技術和功能網絡，例如傳統的蜂窩移動網絡、大規模多天線網絡，認知無線電網絡，無線局域網，無線傳感網，小基站，可見光通信和設備直連通信等等，通過運營商統一的核心網絡進行管控，以提供超高速率和超低時延的用戶體驗和多場景的一致無縫服務。

5G網絡架構一方面引入了軟件定義網絡SDN和網絡功能虛擬化NFV等技術，實現控制功能和轉發功能的分離，以及網元功能和物理實體的解耦，從而實現多類網絡資源的實時感知與調配，以及網絡連接和網絡功能的按序提供和適配。另一方面，進一步增強接入網和核心網的功能，接入網提供多種空口技術，支持多連接、自組織等方式復雜的網絡拓撲，核心網進一步下沉轉發平面、業務存儲和計算能力，更高效實現對差異化業務的按序編排。

在上述技術的支撐下，5G網絡架構課分為控制面，接入面和轉發面。控制面通過網絡功能重構，實現集中控制功能和無線資源的全局調度；接入面包含多類基站（例如宏基站，微基站，微微基站，家庭基站等）和無線接入設備，用于實現快速靈活的無線接入協同控制和提高資源利用率；轉發面包含分布式網關并集成內容緩存和業務流加速等功能，在控制面的統一管控下實現數據轉發俠侶和路由和靈活性的提升。

三、5G關鍵技術

1.大規模多天線技術（Massive MIMO）

現有的4G基站只有十幾根天線，但5G基站可以支持上百根天線，這些天線可以通過多入多出（MIMO）技術形成大規模天線陣列。這就意味著基站可以同時從更多用戶發送和接收信號，從而將移動網絡的容量提升數十倍倍或更大。在5G的大規模天線場景下，宏蜂窩和微蜂窩兩種小區共存，同構網絡與有異構網絡共存，還有室內場景和室外場景。按照經驗，陸地移動通信系統70%的通信來自于室內，因此，大規模多天線傳輸信道課分為宏基站對室內、室外用戶，微基站對室內、室外用戶，微基站還可作為中繼站中繼宏基站信號，相應的信道也要考慮中繼場景下宏基站和微基站之間傳輸，基站天線理論上可以趨于無限大。

大規模多天線技術能極大的提升空間分辨率，采用的波束成型技術能極大的減少干擾，當傳統系統使用時域或頻域為不同用戶之間實現資源共享時，大規模多天線技術則導入了空間域的唯度，進一步提升頻譜效益與能源效率。

大規模多天線技術還存在一系列挑戰，例如導頻污染。上行信道估計時，不同小區的用戶使用同一套導頻序列，或者非正交的導頻序列時，導致基站側進行信道估計的結果是被臨站導頻污染過的結果，最終接收性能并不隨著天線數的增加而增加。實際場景中，設計和完成大規模多天線需要靈活的適應復雜的無線電環境，因此完成大規模多天線的搭建是很難的。

2.信道編碼

低密度奇偶檢驗（LDPC）和極化碼（Polar）是5G信道編碼的關鍵候選碼。5G網絡要求將端到端的時延降低到4G網絡的5倍以下，連接的設備數達到4G網絡的10～100倍。為了滿足5G的這些高性能要求，選擇的編碼方案不僅要有很好的抗干擾性能，還要有很高的能量利用率，低系統時延和高頻譜利用率，能應用于多終端場景下。

LDPC有很好的抗干擾性能，唯一的缺點在于其復雜性較高，關于LDPC碼的研究集中在尋找低復雜度的編碼算法以及LDPC在實際通信系統中的應用。LDPC與4G系統中廣泛應用的Turbo碼相比，采用了一種稀疏矩陣的并行迭代算法，硬件實現上更為容易，更具有優勢。Polar是一種基于信道極化現象的新型編碼方案，它是目前唯一一種在理論上在二進制離散無記憶信道中的通信系統容量能夠達到香農極限的編碼方式。

3.全雙工

全雙工技術是指設備的發射機和接收機占用相同的頻率資源同時進行工作，使得通信兩端在上、下行可以在相同時間使用相同的頻率，突破了現有的頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）模式，這是通信節點實現雙向通信的關鍵之一，也是5G所需的高吞吐量和低延遲的關鍵技術。

在同一信道上同時接收和發送，這無疑大大提升了頻譜效率。但是5G要使用這一顛覆性技術也面臨著不小的挑戰，據資料顯示，主要有以下三大挑戰：（1）電路板件設計，自干擾消除電路需滿足寬頻（大于100MHZ）和多MIMO（多于32天線）的條件，且要求尺寸小、功耗低以及成本不能太高。（2）物理層、MAC層的優化設計問題，比如編碼、調制、同步、檢測、偵聽、沖突避免、ACK等，尤其是針對MIMO的物理層優化。（3）對全雙工和半雙工之間動態切換的控制面優化，以及對現有幀結構和控制信令的優化問題。

4.多址接入

多址接入是每一代移動通信技術的關鍵特征，5G除了支持傳統的OFDMA技術外，還支持SCMA，NOMA，PDMA，MUSA等多種新型多址技術。新型多址技術的疊加傳輸，不僅可提高用戶連接數，還可提高系統頻譜效率，避免競爭計入，大幅降低時延。

非正交多址接入（NOMA）是基于功率域復用的新型多址技術方案，以增加接收端的復雜度微代價換取更高的頻譜效率。包含2中關鍵技術。

稀疏編碼多址接入（SCMA）是基于碼域復用的多址技術，將OAM調制和簽名傳輸過程融合，輸入的比特流直接映射成一個從特定碼本里選出的多維SCMA碼子，然后再以稀疏的方式傳播到物理資源單元上。

圖樣分割多址接入技術（PDMA）是基于發送端和接收端聯合設計的新型非正交多址接入技術。多用戶共享接入（MUSA）是5G潛在的多址接入技術，但是它的實現具有一定的挑戰性。

四、總結

目前，世界各國針對5G移動通信技術研究、標準化以及產品發展方面進行了大量投入，大量新技術的應用，極大的提升了5G系統性能。未來為了應對信息社會高速發展的趨勢，5G還會在網絡智能化，感知能力和自調整能力方面進行研究，綠色能源也是5G未來發展的重要方向。

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