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5G无线通信论文

 论文栏目:无线通信论文     更新时间:2015-1-29 9:35:10   

随着通信技术的不断发展和我国LTE的正式商用,面向未来提供更高速率、更好用户体验的下一代无线通信技术(5G)已经成为了通信业界关注的重点领域。而随着我国ICT产业的进一步融合,移动通信产业也将对我国经济社会的发展带来重要影响。纵观我国移动通信的发展,在经历了2G追赶、3G突破、4G同台竞技之后,未来,在5G研发上,有可能迎来我国通信产业一次全面赶超国外同行的重大契机。

我国相关行业主管部门高度重视5G技术的发展,2013年2月,由工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立了IMT-2020(5G)推进组,其组织架构基于原IMT-Advanced推进组,成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构,是聚合中国产学研用等各方力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。目前,各大主流通信厂商和研究机构都纷纷提出了5G的技术方案,这些方案的技术思路和侧重点都各不相同。本文对各种技术进行了梳理,将5G的关键技术分为4个类别进行阐述,即新型多天线传输技术、高频段传输关键技术、密集网络关键技术和新型网络架构。

1新型多天线传输技术

随着通信产业的发展,频谱资源日益稀少,因此,提高频谱利用率成为未来通信技术发展的重要方向。在这种背景之下,基于大规模天线阵列(LSAS:LargeScaleAntennaSystem)和大规模MIMO(MassiveMIMO)等通信技术被相继提出。其中,利用LSAS技术可以带来巨大的阵列增益和干扰抑制增益,使小区总的频谱效率和边缘用户的频谱效率得到极大的提升。同时,LSAS技术还可以实现对空间位置的划分,利用空分多址,同时服务多个用户。目前,在LTE及LTE-Advanced(Rel.8/9/10/11)中,已经推出了对MIMO天线的诸多增强性改进,用以满足对小区容量和下载速率增长的需求。但是,在LTE-Advanced中,基站下行最大只支持8根发送天线,其对于性能的提升还是十分有限的。在未来的5G中,将引入有源天线技术(AAS:ActiveAntennaSystem),通过这一技术,将更容易实现小区基站上MassiveMIMO的部署,从而实现3D波束成形,相关技术可以显著增加系统容量,满足日益增长的数据业务需求。

具体而言,当前LTE基站的多天线只在水平方向排列,只能形成水平方向的波束,并且当天线数目较多时,水平排列会使得天线总尺寸过大从而导致安装困难。而5G的天线设计参考了军用相控阵雷达的思路,目标是更大地提升系统的空间自由度。基于这一思想的LSAS技术,通过在水平和垂直方向同时放置天线,增加了垂直方向的波束维度,并提高了不同用户间的隔离(如图1所示)。同时,有源天线技术的引入还将更好地提升天线性能,降低天线耦合造成能耗损失,使LSAS技术的商用化成为可能。由于LSAS可以动态地调整水平和垂直方向的波束,因此可以形成针对用户的特定波束,并利用不同的波束方向区分用户(如图2所示)。基于LSAS的3D波束成形可以提供更细的空域粒度,提高单用户MIMO和多用户MIMO的性能。同时,LSAS技术的使用为提升系统容量带来了新的思路。例如,可以通过半静态地调整垂直方向波束,在垂直方向上通过垂直小区分裂(cellsplit)区分不同的小区,实现更大的资源复用(如图3所示)。

2高频传输技术

由于各类无线通信和无线应用的快速发展,各国的低频段频谱资源都已经十分紧张,很难找到适合5G技术应用的新频段。同时,为了保证5G技术所需要的更大传输带宽,各种射频器件也势必要调整到更好的工作频率上。因此,未来5G技术须向高频段扩展,尤其是毫米波频段,该频段频谱资源丰富,具有连续的大带宽,可以满足短距离高速传输的需求。

目前,各大通信企业和研究机构都在积极进行相关研究工作。例如,韩国三星公司已经对28GHz和37GHz频段的信道传播特性进行了信道测量,并研发了基于28GHz频段的系统设备样机,经过实地验证,样机已经达到了1Gbit/s的下载速率,证明了高频段在移动通信特定场景下应用的可行性。但是,由于电磁传播的特性,高频传输目前还面临很多实际的困难。由于空气的吸收作用,频段越高的电磁波路径损耗越大。例如,60GHz的电磁波路径损耗要比5GHz的电子波高出20多个dB。同时,高频段传输以直射路径为主,绕射能力较差,当基站与用户间的直视径受到阻挡,传输性能将显著下降。另外,高频段器件的技术难度较大,相关工艺还不成熟,因此,高频段相关器件较少且价格较贵,给高频段通信带来很大的技术挑战。

3密集网络技术

为应对未来持续增长的数据业务需求,采用更加密集的小区部署将成为5G提升网络总体性能的一种方法。通过在网络中引入更多的低功率节点可以实现热点增强、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量的目的。但是,随着小区密度的增加,整个网络的拓扑也会变得更为复杂,会带来更加严重的干扰问题。因此,密集网络技术的一个主要难点就是要进行有效的干扰管理,提高网络抗干扰性能,特别是提高小区边缘用户的性能。

密集小区技术也增强了网络的灵活性,可以针对用户的临时性需求和季节性需求快速部署新的小区。在这一技术背景下,未来网络架构将形成“宏蜂窝+长期微蜂窝+临时微蜂窝”的网络架构(如图4所示)。这一结构将大大降低网络性能对于网络前期规划的依赖,为5G时代实现更加灵活自适应的网络提供保障。

与此同时,小区密度的增加也会带来网络容量和无线资源利用率的大幅度提升。仿真表明,当宏小区用户数为200时,仅仅将微蜂窝的渗透率提高到20%,就可能带来理论上1000倍的小区容量提升(如图5所示)。同时,这一性能的提升会随着用户数量的增加而更加明显。考虑到5G主要的服务区域是城市中心等人员密度较大的区域,因此,这一技术将会给5G的发展带来巨大潜力。

当然,密集小区所带来的小区间干扰也将成为5G面临的重要技术难题。目前,在这一领域的研究中,除了传统的基于时域、频域、功率域的干扰协调机制外,3GPPRel-11提出了进一步增强的小区干预先部署的小区临时部署的小区扰协调技术(eICIC),包括通用参考信号(CRS)抵消技术、网络侧的小区检测和干扰消除技术等。这些eICIC技术均在不同的自由度上,通过调度使得相互干扰的信号互相正交,从而消除干扰。除此之外,还有一些新技术的引入也为干扰管理提供了新的手段,如认知技术、干扰消除和干扰对齐技术等。随着相关技术难题的陆续解决,在5G中,密集网络技术将得到更加广泛的应用。

4新型网络架构

未来的5G网络必将是多种网络共存的局面,融合多种通信方式将成为一个显著的特点。由于移动通信网络的演进特性,未来的网络将包括3G、4G以及WLAN网络等多种制式,是无缝、异构、融合的网络。因此,未来5G将形成蜂窝与Wi-Fi融合组网的新型网络架构,可以有效利用非授权频段实现业务分流。

另一方面,随着移动通信业务量的不断增长,基站所承担的业务量和计算量也越来越大。为了减轻基站压力,提高传输速度,D2D(DevicetoDevice)网络的概念被提出。目前,在LTERel-13中已经开始讨论D2D技术,未来也将成为5G中的关键技术。D2D技术即终端直通技术,指终端之间通过复用小区资源直接进行通信的一种技术。D2D技术无需基站转接而直接实现数据交换或服务提供(如图6所示),可以有效减轻蜂窝网络负担,减少移动终端的电池功耗、增加比特速率、提高网络基础设施的鲁棒性。然而,在蜂窝通信系统与D2D通信系统融合的系统中,网络需要决定何时启用D2D通信模式,以及D2D通信如何与蜂窝通信共享资源,是采用正交的方式,还是复用的方式,是复用系统的上行资源,还是下行资源,这些问题也增加了D2D辅助通信系统资源调度的复杂性。

此外,随着物联网技术的飞速发展,未来网络中不仅有人与人的通信,还将产生大量机器与机器(M2M)通信。随着M2M终端及其业务的广泛应用,未来移动网络中连接的终端数量会大幅度提升,会引起接入网或核心网的过载和拥塞,这不但会影响普通移动用户的通信质量,还会造成用户接入网络困难甚至无法接收入。因此,如何优化网络,使之能适应M2M应用的各种场景是未来M2M需要解决的关键。目前确认的方案包括以下几种类型:接入控制方案、资源划分方案、随机接入回退方案、随机接入回退方案、特定时隙接入方案、Pull方案等,另外,还有针对核心网拥塞的无线侧解决方案。

5结语

未来,5G无线通信技术必将成为各大通信设备厂商和运营商的核心竞争力,但目前仍处于讨论阶段,相关技术、业务场景和演进路线还存在着诸多不确定的因素,因此,对5G技术的提前研究和跟踪将成为我国提升产业影响力,占领技术和标准制高点的重要契机。

作者:王景尧 白岩 孟祥娇 崔雪然 单位:工业和信息化部电信研究院泰尔终端实验室

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