5G發展及關鍵技術綜述

唐子行　鄒麗萍　丁曉桐

摘要：為了更好地滿足多樣化的通信業務需求，第五代移動通信系統應運而出。本文首先介紹了移動通信的發展以及技術演進，其次對5G中所應用的關鍵技術——軟定義網絡、大規模MIMO與超密集組網進行了綜合性闡述。

關鍵詞：移動通信5G SDN大規模MIMO超密集組網

引言

在瞬息萬變的信息時代背景下，萬物互聯概念的提出、數據業務類型的多樣化等，對通信網絡的可靠性、有效性有了更高的要求。而現有移動通信系統難以滿足這樣的需求，因此需研發具有更高通信效率以及更大通信容量的5G移動通信系統。

1移動通信系統演進

20世紀80年代大哥大的出現標志了第一代移動通信技術的誕生，1G通信以模擬技術為基礎，僅供語音信號的傳輸，且通信容量有限，通信設備昂貴笨重。相較于第一代，2G GSM系統增加了短信業務，信息傳輸速率為9.6-14.4kbps。3G系統讓無線通信和互聯網數據傳輸完美結合在一起，速率一般在幾百kbps以上，可以同時傳輸語音和數據信息實現實時通信，為用戶提供了除短信、語音業務外的多媒體業務，并能夠在全球范圍內更好地實現無限漫游。第四代移動通信技術，相比之前的技術而言，4G具有超高數據傳輸速度，下載速度達到lOOMbps，上傳的速度可以到20Mbps，可以滿足大部分用戶對于無線聯網服務的要求。

移動通信系統業務的增加性能的提高都是基于其標準的改變，具體有：

（1）多址技術

1G系統采用頻分多址（FDMA）的模擬調制方式，將介于300Hz到3400Hz的語音信號調制到高頻的載波頻率上;2G系統以后均采用數字調制的方式，采用時分多址（TDMA）以及碼分多址（CDMA）技術;3G采用WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大主流無線接口標準，其中TD-SCDMA為中國自主研發的標準;4G可分為FD-LTE和FDD-LTE兩大類別，改進并增強了3G空中接入技術，采用非正交多址（OFDMA）大幅度提高了頻譜利用效率。

（2）信道編碼

在GSM系統中，移動通信系統采用卷積碼與交織，在保證了一定信息傳輸速率的前提下，服務質量（QoS）得到很好的改善。3G系統相較于2G系統可以提供更加多樣化的業務，對信道編碼提出更高要求，因此在3G系統中，采用卷積碼用于語音和低速率數據的糾錯編碼，而把Tu rbo碼和交織技術作為高數據的信道編碼方案。4G系統考慮到上下行鏈路以及發信設備的差別，上行采用分組Turbo碼，下行采用LDPC編碼方式。

另外，從3G系統便采用了擴頻技術，提高了信號的抗干擾能力，極大改善了CDMA系統的性能。4G系統后出現的MIMO技術允許多個天線同時發送和接收多個空間流，并能夠區分發往或來自不同空間方位的信號，提供空間復用增益及空間分集增益，提高了信道的容量以及可靠性。相較于前4代移動通信系統，5G移動系統具有高速度、泛在網、低功耗、低時延、萬物互聯5個典型特點。峰值速率在靜止或低速狀態下達到lOGbps，在高速移動（移速大于300km/h）或用戶處于邊緣時保證lGbps，特定場景下甚至可達20Gbps[3]。5G系統下的時延可降至Ims，為無人駕駛提供了更加可靠的發展條件。5G系統采用非正交多址接人（NOMA），再次有效提高了頻譜利用效率。

2關鍵技術

2.1軟定義網絡（SDN）

相較于傳統的基于硬件實現的移動網絡，SDN具有邏輯集中控制、可編程性、靈活性高、網絡自管理、低成本等特點。網絡可編程性與通用應用程序編程接口加快了移動網絡中的業務創新，操作員可以靈活地在網絡操作系統上創新以及測試各種控制應用程序。與當今基于硬件的應用程序的部署方式相比，基于軟件的應用程序部署方式更加快捷方便。

SDN將控制面與數據面相分離，并允許通過集中控制器控制網絡，有利于移動網絡的安全性管理以及引入新的基于SDN的安全機制。SDN架構中回程設備減少了控制面功能，PCRF、HSS、MME等網元可以在應用層以軟定義方式實現，因此SDN交換機不需要具有高處理能力的硬件'僅需采用低成本交換機對數據進行低量處理。另外，基于流量的控制模型支持粒度流控制策略，且控制器可以基于網絡行為動態地調整這些控制策略。

SDN與網絡功能虛擬化（NFV）相適應，虛擬化網絡設備可在需要時按需配置資源，并擴展資源以滿足需求。

2.2大規模MIMO天線與3D-MIMO

為了滿足5G移動網絡中對更高頻譜效率的需求。大規模MIMO技術被運用到5G基站中，預計有源天線數可達64或128個。通過在基站端配置大量天線來服務于多個用戶，大規模MIMO技術能增加系統容量，提升能量效率和頻譜效率。由隨機矩陣理論分析可知，隨著基站天線數量的增加，系統將不再受非相干噪聲與快衰落的影響。

大規模天線系統中的天線數是與用戶數量呈正比的，而隨著天線數量的增加，如果天線依然僅放置在一條水平線上，集成天線板的面積將會相當大。因此考慮依照二維網格的方式放置，這種天線系統又被稱為3D-MIMO。3D-MIMO技術不僅具備大規模發射天線的空間自由度，更重要的是其可以調整波束的水平與垂直方向，更強的波束賦性能力進一步提高了空間復用的復用率，同時有利于減小小區間干擾。

3D MIMO的一項核心技術即所謂的有源天線系統（AAS）。AAS技術將射頻元件（功率放大器和收發器嶼天線元件集成在一起。以這種方式，可以電子控制每個天線元件的信號的相位和幅度，從而有助于更靈活和智能的波束賦形，增加系統容量和覆蓋范圍。

2.5超密集組網

目前針對超密集組網超密集組網的量化定義主要有兩種：一種定義為網絡中的小區數多于活躍用戶數;另一種定義為該網絡的密度大于[（l0）]°3（小區數/平方公里）。超密集組網基本思想即使接入站點盡可能接近用戶端。

與傳統組網方式相比，超密集組網系統容量更大，頻譜利用率更高。同時，在超密集組網中，可以利用微小區對邊緣、陰影地區實現無縫覆蓋，改善用戶體驗。

另一方面，小區部署的密集化也通信系統帶來了新的問題：

（1）干擾管理

由于小區的微小型化，無線密集網絡中將存在大量同頻小區，一個小區周圍存在大量鄰接小區，這給協調干擾管理帶來挑戰。目前有人提出采用多域（時域、頻域、空間域）干擾管理解決這一問題。

（2）發現小小區

密集網絡中大量小小區均位于用戶附近，用戶處在多個小小區的干擾范圍內，使得小區檢測難度提高。

（3）回傳線路

廣泛部署密集網絡的瓶頸之一就是回程線路，隨著密集網絡中接人節點數量的增加，如何優化回程網絡的問題也愈發突出，其中無線回程成為一種可行方案。

參考文獻

[1]李建東，郭梯云，鄔國揚.移動通信[M].第四版，西安：西安電子科技大學出版社，2006：220 226.

[2]李兆玉，何維，戴翠琴.移動通信[M].電子工業出版社，2017

[3] Liyanage M， Abro A B，Ylianttila M， et al. Opportunitiesand Challenges of Software-Defined Mobile Networks in NetworkSecurity[J].IEEE Security&Privacy， 2016， 14（4）：34-44.