基于5G網絡發展趨勢及核心技術分析

摘 要：隨著移動通信網絡的廣泛應用以及智能電話和平板電腦等新型移動設備的推出，產生了大量新的用于移動連接的應用程序，使網絡流量呈指數級增長。為應對不遠將來的挑戰，今天的無線網絡必須以各種方式向前發展。目前的無線技術，如第三代合作項目LTE技術，HSPA和WiFi等將納入新的技術組件，以滿足未來的需要。然而，可能存在某些情況不能隨著現有技術的發展而得到充分解決的情況。推動全新的無線技術補充目前的技術是滿足網絡社會長期發展的需要。比如高速下行分組接入（HSPA）和長期演進（LTE）等最新的技術組成將為推動當前無線技術進步而啟動。與此同時，輔助組件也極可能構成未來無線技術的補充技術。這些新技術組成部分具有不同存取光譜的方式、相當高的頻率范圍和大量天線配置的煽動，能夠實現設備間的直接通信以及超高密度的部署。

關鍵詞：無線技術；5G；蜂窩網絡架構；無線網絡的新興技術

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）04-0068-03

Abstract：With the wide potential of mobile communication networks and the introduction of new mobile devices such as smart phones and tablet computers，a large number of new applications for mobile connections have been generated，thus increasing the network traffic exponentially. To meet future assumptions and future challenges，today’s wireless networks must move forward in various ways. The current wireless technology，such as the third generation cooperation project LTE technology，HSPA and WiFi，will be incorporated into the new technology components to meet future needs. However，there may be some cases that can not be fully resolved with the development of existing technologies. Promoting new wireless technology to supplement current technology is a long-term necessity to meet the needs of network society. For example，the latest technology composition of high-speed downlink packet access（HSPA）and long term evolution（LTE）will start as a driving force for the advancement of wireless technology. At the same time，auxiliary components are also likely to constitute complementary technologies for future wireless technology. These new technologies consist of different access spectra，a high frequency range，a large number of antenna configuration incitement，direct communication between devices and deployment of ultra high density.

Keywords：wireless technology；5G；cellular network architecture；wireless network emerging technologies

1 無線技術的發展

意大利發明家G.Marconi在電磁波的幫助下，以三點莫爾斯碼的形式，沿著3公里的距離傳達字母“s”，從而開啟了最近無線通信的發展道路。無線通訊自成立以來，已成為當今社會的重要組成部分。自從衛星通信、電視和無線電傳輸向普及移動電話發展以來，無線通信已經改變了社會運行方式及人們的生活方式。以下是無線技術發展的概況。

第一代是在20世紀80年代初宣布的。它的數據速率為2.4kbps。主要用戶有高級移動電話系統（AMPS）、北歐移動電話（NMT）和全入網通信系統（TACS）。它有許多缺點，比如容量不足、任意切換、低檔語音聯想以及缺乏安全性。

第二代是20世紀90年代后期引進的。第二代移動電話采用數字技術。如：全球移動通信系統（GSM），主要用于語音通信，其數據速率可達64kbps。由于無線電信號功率低，2G手機電池續航時間較長。它還提供短信服務和電子郵件等服務。最重要的技術是GSM，CDMA（code division multi-access），它通常將第二代蜂窩系統與一般分組無線電服務（GPRS）合并，其他設施通常不賦予2G或1G網絡。

第三代于2000年底成立。它使傳輸速率達到2 mbps。第三代（3G）系統合并基于互聯網協議（IP）的高速移動服務接入。除了傳輸速率外，在維護QoS方面有了非常大的改進。額外的便利設施，如全球漫游和語音質量的提高使3G成為了不起的一代。3G手機的主要缺點是它比大多數2G手機需要更多的功率且更昂貴。

4G一般稱為3G和2G標準的后代。3gpp的目標是實現由2G網絡到3G網絡的平滑過渡，保證未來技術的后向兼容性，支持輕松建網及系統間的漫游和兼容，目前正在標準化長期演進（LTE），將作為即將推出的4G標準，具有全球范圍內的微波接入（WiMAX）移動互操作性。4G系統通過提供一個基于IP的完整和可靠的解決方案來改進主流通信網絡。將在每一處為用戶提供語音、數據和多媒體等設施，而且與前幾代相比，其數據率要高得多。使用4G網絡的應用程序包括多媒體消息服務（mms）、數字視頻廣播（DVB）、視頻聊天、高清電視內容和移動電視。

隨著用戶需求的指數倍增長，4G將很容易地被5G取代。5G是一種先進的接入技術，5G的想法基于當前的動態，一般認為5G蜂窩網絡必須解決6個4G無法有效應對的挑戰，即更大的容量、更高的數據率、更低的端到端延遲、大規模的設備連接、更低的成本和持續的經驗提供質量。

2 5G蜂窩網絡架構

考慮到5G網絡在市場上的應用會使網絡中的多種訪問技術幾乎處于停滯狀態，因此需要進一步改進。像OFDM這樣的現有技術至少在未來50年內都能發揮作用，無線設備也不需要從1G改為4G，或只能在基本網絡中添加應用程序或進行改進，以滿足用戶需求。這將會促使包裝供應商在4G網絡商業化建立時就轉向5G網絡。為滿足用戶的需求，還需克服在5G系統中提出的挑戰，需要徹底改變5G無線蜂窩架構的設計策略。根據研究人員的觀察表明，大多數無線用戶在室內停留的時間約占80%，在室外停留的時間約占20%。在目前的無線蜂窩結構中，移動用戶進行內部或外部通信，位于單元中間的外部基站有助于通信。因此，內部用戶要與外部基站通信，信號就必須穿透墻壁，這將帶來非常高的滲透率損失，相應地，無線通信的頻譜效率、數據速率和能源效率也將降低。為了克服這一難題，一種設計5G蜂窩架構的新想法或新技術出現了，這就需要區分外部和內部設置。使用這種技術，穿透建筑物的損失將略有減少。

為了建造大型的MIMO網絡，首先，外部基站將安裝大型天線陣列，其中一些天線陣列將分散在六邊形電池周圍，并通過光纖電纜與基站連接，并輔之以大規模的MIMO技術。外部的移動用戶通常安裝一定數量的天線單元，構建一個大型的虛擬天線陣列，與基站天線陣列一起形成虛擬的MIMO鏈路；其次，每座建筑都將安裝大型外部天線陣列，借助視線組件與室外基站進行通信。建筑物內的無線接入點通過電纜與大型天線陣列連接，以便與室內用戶通信。這將大大提高細胞系統的能源效率、細胞平均吞吐量、數據速率和光譜效率，但這要以增加基礎設施成本為代價。

隨著這種架構的引入，內部用戶只需與內部無線接入點連接或通信，更大的天線陣列仍被安裝在建筑物外面。對于室內通信，某些技術，如WiFi、小單元、超寬帶、毫米波通信和可見光通信，對于數據率高的小型通信非常有用，但是像毫米波和可見光通信這樣的技術正在利用更高的頻率，而這些頻率并不是傳統的用于細胞通信的。將這些高頻波用于外部和遠距離應用并不是一個有效的想法，因為這些高頻波不會有效地從致密的物質中滲透，并且很容易被雨滴、氣體和植物驅散。不過，毫米波和可見光通信技術可以提高室內設備的傳輸數據率，因為它們產生了大量的帶寬。隨著新頻譜的引入（這種新頻譜并非傳統上用于無線通信的）。還可以通過認知無線電（CR）網絡提高當前無線電頻譜的利用率來解決頻譜短缺的問題。

因為5G的細胞結構是異構的，所以它必須包括宏細胞、微細胞、小細胞和繼電器。一個移動小單元概念是5G無線蜂窩網絡的一個組成部分，部分包括移動繼電器和小單元概念。它被引入汽車和高速列車中，以培養高流動性的用戶。根據用戶的意見，移動小單元實現為一個普通基站，它的相關用戶被觀察到是基站的一個單一單元，這證明了上述將室內和室外設置分開的想法是可行的。移動小單元用具有高數據速率的服，大大減少了信令開銷（一體化網絡移動管理機制分析模型在網絡中傳輸著各種信號）。因為5G無線蜂窩網絡架構只包括兩個邏輯層，即無線電網絡和網絡云。具有不同功能的、不同類型的組件共同構成了無線電網絡。

3 5G無線網絡的新興技術

預計未來十年，移動和無線通信量將增加千倍，這將由預計到2020年連接云的500億個連接設備驅動，所有這些設備都需要隨時隨地訪問和共享數據。隨著連接設備數量的迅速增加，將通過提高能力、提高能效、提高成本和提高頻譜利用率來為處理日益增多的連接設備提供更好的可擴展性。

大量的MIMO是一種從目前的MIMO技術升級的技術。這個龐大的MIMO系統使用的天線陣列包含幾百個天線，在同一時間內，這些天線頻率槽為幾十個用戶終端服務。大量的MIMO依賴于空間多路復用，而這進一步依賴于基站擁有的信道狀態信息，包括上行鏈路和下行鏈路。在傳統的MIMO系統中，基站將先導波形發送到終端，在此基礎上，終端對信道進行估計、量化并反饋到基站。由于以下兩個原因，這個過程對于大規模的MIMO系統是不可行的，特別是在高流動性條件下。首先，基站的下行導頻必須是正交的，隨著天線數量的增多，對下行導頻的時間、頻率槽的要求增大。與傳統的MIMO系統相比，如此龐大的MIMO系統現在需要大量類似的插槽；其次，由于基站天線的數量增加，每個終端的信道估計數也隨之增加，而每個終端需要幾百倍的上行插槽來反饋信道對基站的響應。一般解決這一問題的辦法是采用時間劃分雙工（TDD）模式，并依賴上行和下行信道之間的互惠性。

MIMO技術依賴來自于基站所有天線的發射或接收更多的信號空間流，這能顯著提高信道容量，而通過智能波束成型，將射頻的能量集中在一個方向上，可以提高信號的覆蓋范圍，以下是一個巨大的MIMO系統的優點。

（1）大量的MIMO具有將輻射能量效率提高100倍的能力，同時增加10倍或更多的能力。

容量增加的積極原因是大規模MIMO系統中使用的空間多路復用技術。隨著輻射能效率的提高，由于天線數量的增加，能量可以集中在空間的小區域。它基于波鋒的相干疊加原理。在傳送天線發出形狀信號后，基站沒有任何作用，因為它確認天線發出的所有波鋒可能會在預定的終端位置建設性地增加，并在其他地方造成破壞。零強迫被用于抑制終端之間的剩余干擾，但代價是增加傳輸功率。

（2）在概念、方案和執行方面，大量的MIMO出現了變化。

大量的MIMO系統在昂貴的超線性50瓦放大器中使用數百個較便宜的放大器，因為早期的放大器的輸出功率在毫瓦范圍內，這比傳統系統中通常使用的毫瓦范圍要好得多。它與傳統的陣列方案不同，因為它只使用一個小天線，這個天線由高功率放大器提供，但具有顯著的影響。最顯著的改進是移除了大量昂貴和巨大的物品，比如大型同軸電纜。在大規模的MIMO技術中使用大量的天線，使噪音、衰落和硬件缺陷得到平均，因為來自大量天線的信號在自由空間中組合在一起，它濃縮了每一個單放大器和無線電頻率鏈的精度和線性限制，最重要的是它們的集體行動。

巨大的MIMO通道有很大的空間，幾乎所有事項都可以在不干擾終端的情況下進行。精確的模塊可以被放置在這個空間，使傳輸的波形滿足首選的包絡限制。能源效率的顯著提高使MIMO系統在總輸出功率上比現有技術低兩步。這一點很重要，因為蜂窩基站消耗大量的電力，這是一個值得關注的領域。此外，如果使用較少電力的基站可以由太陽能或風能等可再生資源驅動，那么將基站部署到沒有電力的地方是有益的。與此同時，電磁輻射將大大減少。

干擾民用無線系統是人們關注的主要領域，它會對網絡安全構成嚴重威脅。由于帶寬有限，不可能通過頻率分配信息。在多天線的幫助下，MIMO提供了提高無線通信魯棒性的方法。它提供了一個多余的自由度，可用于取消來自有意干擾的信號。如果大規模的MIMO系統使用聯合信道估計和解碼來代替上行信道估計，那么來自預定干擾器的問題將大大減少。

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作者簡介：陳珍臻（1986-），女，漢族，廣東惠州人，教師，計算機應用講師，學士。研究方向：網絡發展及核心技術。