基于5G無線通信傳輸分析與探討

廣東理工學院 李欣雪 任 瑾 徐殿雙 唐東成

不久前，3G是最快的網絡。2009年12月，斯堪的納維亞電信供應商Telia Sonera在奧斯陸和斯德哥爾摩發布了世界首個第三代伙伴合作計劃（3GPP）長期演進（LTE，Long Term Evolution）標準。LTE是一個過渡的3.9G技術，是基于當今CDMA的3.5G和3.75G移動標準，如HSPA（High-Speed Packet Access）和無線通信技術EV-DOrevB的演進。該標準用于滿足蜂窩網絡更快的數據率，其物理層包含幾個高吞吐率的數字通信技術。與2G和3G采用單載波調制技術移動標準不同，LTE使用頻譜效率更高的多載波調制技術。通過支持高達20MHz的帶寬，高階調制方案，和4x4多輸入多輸出（MIMO）通道，LTE的下行信道可以下載300M/s的速度。到2011年，高級3GPPLTE可能會成為真正的第一代4G移動標準。高級LTE通過采用8x8MIMO下行通道，提供更高的數據率。高級LTE能夠采用測向算法測量移動站的角度，利用波束形成技術控制下行信號調整到最佳方向。通過通道聚合功能利用多個相鄰物理通道有效地改善吞吐量。隨著科技網絡的逐步發展以及通信4G網絡技術的推廣與應用，后4G時代的通信技術被命名為5G。隨著科研人員對5G無線通信技術的研發，勢必給通信行業帶來新一代的革新。

無線消費者對帶寬的巨大需求刺激了國家研究機構以及各大公司前所未有的投資，以探索新的方法來提高網絡容量以及滿足不斷增長的需求。業內分析師預測不斷增長的數據需求將會超過已有的容量，這只是時間的問題。無線研究人員不斷提出各種觀點來解決容量挑戰，并尋求一種網絡拓撲結構，既可解決容量問題，也可提供以前認為絕對不可能的特性和功能。概念的提出很大一部分是進行軟件開發，從概念過渡到一個基于實際信號和波形的工作原型不僅需要大量的時間和金錢投資，而且也為集成新技術和功能的帶來重重障礙。將軟件可重配置性以及更快速原型開發相結合的設計方法將能夠以令人興奮的全新方式來設計、開發和部署這些技術。

手機問世多年以來，蜂窩基礎設施幾經變革。第一代蜂窩網絡是以“模擬”技術為基礎的，比如高級移動電話服務（AMPS）。第二代（2G）系統主要采用數字技術使用標準，例如全球移動通信系統（GSM）。在功能上，2G在通話的基礎上增加了基本SMS（短信）功能，但無線數據傳輸容量非常有限。那時使用2G移動設備來瀏覽網頁仍非常受限。無線數據主要用來發送短信、收發郵件和傳輸靜態圖片。而針對于3G技術，即第三代網絡，具有更高速的數據傳輸能力，使用寬帶碼分多址（W-CDMA）已經能夠傳輸一定大小的視頻。3G之后的演變有HSPA和HSPA+（相當于3.5G），它們提供了更好的用戶體驗。不過，與大多數消費者用作比較基準的WiFi或無線局域網的速度相比，在像視頻之類的大數據應用傳輸速度方面仍然較慢。

現今，網絡服務供應商正在基于長期演進（LTE）技術推出第四代（4G）網絡。LTE相比3G網絡在數據流量方面有顯著的提升，峰值速率提高了5到6倍（見表1）。多數服務供應商打算轉移至LTE-Advanced，也就是4.5G，該網絡的可用帶寬預期將是LTE的兩倍。LTE和LTE-Advanced技術的到來，使得無線數據消費者目前擁有了一項在用戶體驗方面可以匹敵WiFi的通信技術。

表面來看，隨著LTE的發展，未來無線數據傳輸容量似乎可以在用戶體驗方面與WiFi平起平坐，至少從表面上降低或減輕了對大幅提高帶寬的需求。然而，隨著智能手機、平板電腦等智能設備的迅速普及，網絡容量和帶寬消耗也在加速。實際上，行業分析師預測2014年的無線數據需求量將會超過2009年的35倍以上（見表1），并且這種增速會一直持續。容量實際上是帶寬的函數。單位時間傳輸的比特越多，就越能更快地釋放頻譜滿足其他用戶及其數據需求。雙倍的數據傳輸率能夠有效地將數據容量提升2倍。因此，5G研究的主要動力就是通過帶寬增加來提升網絡容量，避免容量不足。

表1 移動數據流量的行業數據圖

目前，現有的LTE和LTE-Advanced是否能完全滿足消費者的客觀需求?

針對于這一問題，考慮到無線用戶對數據的消費速率，一個讓整個行業真正擔心的問題是，如果沒有重大的技術升級，不久的將來網絡容量就會變得非常受限。以目前的LTE速率為例，其下行速率為300Mbps，上行速率為150Mbps。該速率比3G和3.5G技術要快4到5倍。LTE-Advanced則可將速率進一步提升2到4倍。這樣，在過去10到15年的時間里，全球移動運營商已將通信容量提升了20倍。而與此同時，需求卻增加了100多倍。由此，LTE-Advanced的必要性和新五代網絡的關鍵性不言而喻。實際上，無線基礎設施公司及3GPP標準機構的其他成員提出了一項挑戰，即到2020年將數據容量提升1000倍。

面對挑戰，5G將如何解決“帶寬/容量”危機？

首先，關于5G的討論已有很多，5G將會是什么，又將不會是什么。眾所周知，5G將會比如今的4G以及最終的LTE-Advanced（有時又被稱為4.5G）速度都要快許多。真正的問題是，在現有設備和可用頻譜等基礎設施的狀況下，如何才能實現更快的性能和更高的容量。目前的共識是，沒有什么“靈丹妙藥”或者哪一種技術能夠實現所需的帶寬擴展，但是多種先進技術的結合則能夠做到，比如包含小型蜂窩和多點協調的異構網絡、頻譜再分配，以及自組織網絡（SON）等其他先進技術。

正在研究哪些技術來支持潛在5G標準？

現如今人們正在研究用來提高頻譜效率、降低區間干擾的幾種技術，諸如異構網絡、小型蜂窩、中繼及多點之間的協調等。這些研究的根本動機是通過增加密度降低每個基站負載，而這相應地又會提升較小地理區域內用戶的頻譜效率。所有可供選擇的技術都側重在部署更多的基礎設施設備，同時利用智能技術（如多點協調、波束成形等）進一步提升利用率。歸根究底，通過基站級網絡信息共享，每個用戶的負載和覆蓋率就能夠得到優化，從而更高效地利用現有頻譜。一個更為困難的挑戰是頻譜的可用性。為了提高數據的吞吐量和可靠度，3G到4G技術的轉變引入了新的技術，但往往被忽略的一點是，LTE技術推出的同時也引入了新的頻譜。譬如，美國聯邦政府對700MHz頻譜進行拍賣，專門用于部署LTE。3GPP提供了新的編碼和調制技術，但是這些新技術大部分（即便不是完全）都是部署在專用的新頻譜上。

對于5G而言，答案并不那么簡單。除非行業、政府和相關頻譜規范機構可以對何時及如何再分配頻譜達成一致，否則6GHz以下根本就沒有頻譜可用。再分配頻譜并不是一件容易的事，因為許多服務運營商為得到在用頻譜已經支付了數十億美元，變革絕非那么廉價易成。特別值得一提的是紐約大學無線研究中心的TedRappaport博士正在進行的研究。Dr.Rappaport一直在研究28GHz、38GHz和60GHz的頻譜以及覆蓋紐約市71-76GHz頻率的E波段的特征——這是一個非常有挑戰性的測試環境。測量結果表明，這些頻率都有可能進行無線戶外通信，但是讓通信變得切實可行還需要大量投資。

根據目前現有的技術，今后能否達到高速度的傳輸這個目標是一直在研究的問題。

無論選擇哪種技術都不能簡單輕松地解決無線數據危機。通信行業必須打破傳統思維，包括設計流程在內。人們普遍認為毫米波頻率不適合用于蜂窩數據傳輸，基于該頻譜的網絡也并不可行。Rappaport博士的研究從根本上挑戰了這種想法。他已經證明利用這些頻率進行可靠的傳輸和接收是有可能的，不過目前仍要做很多工作。從本質上來說，所有低于6GHz通信相關的研究思路都必須要轉變，才能為RF前端設計和天線技術、波束成形、物理層設計甚至新協議的研究創造機會。

雖然許多技術剛出現且有待開發，但令人鼓舞的是在現有基礎設施的基礎上推出新數據容量并不是無前例可循。即使考慮到了物理層、小型蜂窩和RF前端（MIMO）等6GHz以下的所有研究，網絡仍然會受限于Shannon理論：通信信道會受到帶寬和噪聲的限制。雖然異構網絡可以提高容量，但是誰也不知道僅僅這樣是否能夠實現2020年容量提升1000倍的目標。如果沒有可用的帶寬，那么就必須要在別處找到新的頻譜。

通常一個典型的“設計”方法是要先提出一個想法、然后進行仿真并建立原型。由于開發可工作原型耗資巨大，因此在原型之前通常會在設計和模擬階段反復進行試驗。如果理論上存在根本性問題，就要返工重做。因此，在計劃原型開發之前通常就會有大量的仿真工作。與傳統方法一樣，從概念、仿真到原型需要耗費很長的時間和眾多的資源。換言之，整個過程耗資巨大。設計過程中最重要的目標是盡早交付可工作原型，這樣才能在設計初期將真實狀況和系統問題考慮在內。

目前大部分的仿真主要使用加性高斯白噪聲（AWGN）來建立信道模型。隨著5G新技術研究的展開，傳統的信道模型已經不能很好地代表現實狀況。系統工程師和網絡設計人員還必須考慮開發一個具有高性價比和低功耗（以延長電池壽命）的平臺上來部署新算法/協議的處理需求以及可行性。因此，盡可能早地開發出原型是非常重要的。

總之，針對于5G技術的革命，關于5G的整體思路是建立在現有的理論基礎上進行推進，新型異構網絡等演進技術的有機結合，輔以必要的新的無線通信接入技術，如大規模MIMO、超密集網絡、終端直連D2D通信、超可靠性的網絡、大規模天線陣列等。移動互聯網的強勁發展，推動5G通信技術的不斷探索和發展，預計在2020年，新頻帶的開發將支持大幅增加在移動數據量，并拓寬移動通信的應用領域，效地應對未來移動信息社會的發展。

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