第五代移动通信中的核心技术

第五代移动通信中的核心技术摘要：在移动通信的演进历程中，我国依次经历了“26跟踪，3G突破，4G同步”的各个阶段。在5G时代，我国立志于占据技术制高点，全面发力5G相关工作。组织成立IMT-2020（5G）推进组，推动重大专项，新一代宽带无线移动通信网”向5G转变，启动“5G系统前期研究开发”等，从5G业务、频率、无线传输与组网技术、评估测试验证技术、标准化及知识产权等各个方面，探究5G的发展愿景。在5G研发刚起步的情况下，如何建立一套全面的5G关键技术评估指标体系和评估方法，实现客观有效的第三方评估，服务技术与资源管理的发展需要，同样是当前5G技术发展所面临的重要问题。关键词：5G；服务技术；资源管理一、概述2013年12月，我国第四代移动通信（4G）牌照发放，4G技术正式走向商用。与此同时，面向下一代移动通信需求的第五代移动通信（5G）的研发也早已在世界范围内如火如荼地展开。在国内，华为、中兴、爱立信、诺基亚和上海贝尔、大唐、英特尔等公司均参与了2016年的5G技术研发试验第一阶段测试。为尽早实现5G商用，在2017年，运营商、设备商，及相关产业链应结合5G研发试验第一阶段测试结果，对5G关键技术进行突破。2017年12月21日，在国际电信标准组织3GPPRAN第78次全体会议上，5GNR首发版本正式发布。此举意味着各方已经对5G网络标准达成了一致的意见，距离5G商用网络的设立和运行又迈出了坚实的一步，因为它给各个公司划下了一个硬性的标准。作为国家无线电管理技术机构，国家无线电监测中心（以下简称监测中心）正积极参与到5G相关的组织与研究项目中。目前，监测中心频谱工程实验室正在大力建设基于面向服务的架构（SOA）的开放式电磁兼容分析测试平台，实现大规模软件、硬件及高性能测试仪器仪表的集成与应用，将为无线电管理机构、科研院所及业界相关单位等提供良好的无线电系统研究、开发与验证实验环境。面向5G关键技术评估工作，监测中心计划利用该平台搭建5G系统测试与验证环境，从而实现对5G各项关键技术客观高效的评估。为充分把握5G技术命脉，确保与时俱进，监测中心积极投入到5G关键技术的跟踪梳理与研究工作当中，为5G频率规划、监测以及关键技术评估测试验证等工作提前进行技术储备。下面对其中一些关键技术进行简要剖析和解读。二、5G核心技术详解高频段传输技术众说周知，无线通信依托于电磁波传播，最宝贵的资源莫过于频带。目前，电信业者已开始研究毫米波技术，以便找到最适合移动应用的频率范围。为了统一全球的毫米波频率标准，国际电信联盟(ITU)在近期的世界无线电通讯大会结束后，公布了24GHz到86GHz之间的全球可用频率的建议列表，最后28GHz、39GHz与73GHz三个频带逐渐脱颖而出」。基于28GHz在美国、韩国与日本的可用性，加之美国电信业者早期现场测试的投入，该频谱无论是否成为国际标准，都可能直接成为美国的移动技术应用。此外，韩国于2018年奥运展示5G技术的目标，也可能在标准组织确定5G标准之前，率先推动28GHz技术用于消费型产品上。尽管目前仍无法确认28GHz是否可以广泛用于5G应用，但该频率在现阶段绝对非常重要。在进行28GHz相关研究的同时，E波段(E-band)频率在近几年也引起了移动通讯领域的关注。开篇所说的华为与沃达丰，正是在E-Band微波上对5G进行室外现场测试。此外，区分73GHz与28GHz、39GHz三者关系的其中一项特性，就是可用的连续带宽。73GHz中有2GHz的连续带宽可用于移动通讯，这是拟议频率频谱中范围最广的；28GHz仅提供850MHz的带宽；在美国，39GHz附近就有两个频带提供1.6GHz与1.4GHz带宽。此外，根据Shannon定律，即更高的带宽代表更高的数据传输量，73GHz与另外两个频率相较更具优势。高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势，业界对此高度关注。足够量的可用带宽、小型化的天线和设备、较高的天线增益是高频段毫米波移动通信的主要优点，但也存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。射频器件、系统设计等方面的问题也有待进一步研究和解决。监测中心目前正在积极开展高频段需求研究以及潜在候选频段的遴选工作。高频段资源虽然目前较为丰富，但是仍需要进行科学规划，统筹兼顾，从而使宝贵的频谱资源得到最优配置。新型多天线传输技术为了满足未来无线数据传输爆炸式的增长,5G(第五代移动通信技术)移动通信系统对频谱效率和能耗效率提出了更高的要求。在5G关键技术探索中,大规模MIMO(MassiveMIMO)技术能够深度挖掘空间维度无线资源，大幅度提升无线通信系统的频谱效率和能耗效率，脱颖而出，成为支撑未来新一代宽带绿色移动通信最具潜力的研究方向之一。而有关研究工作尚处于起步阶段，存在着具有挑战性的基础理论和关键技术问题有待深入系统的研究。因此需要在此领域展开大规模MIMO无线通信理论和技术研究,包括复杂无线环境中大规模MIMO信道模型和信道容量分析、信道状态信息获取理论和技术等。由于引入了有源天线阵列，基站侧可支持的协作天线数量将达到128根。此外，原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列，形成新颖的3D-MIMO技术，支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，结合高频段毫米波技术，将进一步改善无线信号覆盖性能。大规模多天线（又叫大范围多入多出技术和大范围天线系统）是一种多入多出（MIMO,multipleinputandmultipleoutput）的通信系统，在系统中基站的天线数远高于终端的天线数目，通过建立极大数目达到终端的信道实现信号的顽健高速传输，并通过大规模天线简化MAC层设计来最终实现信号的低时延传输。在下一代无线通信系统中，大规模多天线的应用场景如图6所示。在5G的大规模天线场景下，小区为宏蜂窝和微蜂窝2种小区共存，网络分类可以为同构网络也可为异构网络，场景分为室外和室内这2种场景，从相关测试文献得知，陆地移动通信系统70%的通信来自于室内，因此，大规模天线的信道可以分为宏小区基站对室外用户、室内用户，微小区基站对室外用户、室内用户，同时微小区也可作为中继基站进行传输，信道也包括从宏小区基站到微小区基站。基站天线数可以趋于无限大，同时用户天线数目也可增大。大规模多天线技术在整个5G系统中会带来以下的一系列优点219。1）相比于传统的多入多出系统，大规模多天线多入多出系统的空间分辨率被极大地提升了。大规模多天线技术可以在没有基站分裂的条件下实现空间资源的深度挖掘。2）波束赋形技术能够让能量极小的波束集中在一块小型区域，因此干扰能够被极大地减少。波束赋形技术可以与小区分裂、小区分簇相结合，并与毫米波高频段共同应用于无线短距离传输系统中，将信号强度集中于特定方向和特定用户群，实现信号的可靠高速传输。3）相比于单一天线系统，大规模多天线技术能够通过不同的维度（空域、时域、频域、极化域）提升频谱利用效率和能量利用效率。因为这些可实现的优点，大规模多天线技术被认为是5G中的一项关键可行技术。目前研究人员正在针对大规模天线信道测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、码本及反馈机制等问题进行研究，未来将支持更多的用户空分多址（SDMA），显著降低发射功率，实现绿色节能，提升覆盖能力。同时同频全双工最近几年，同时同频全双工技术吸引了业界的注意力。利用该技术，在相同的频谱上，通信的收发双方同时发射和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，从理论上可使空口频谱效率提高1倍。全双工技术能够突破FDD和TDD方式的频谱资源使用限制，使得频谱资源的使用更加灵活。然而，全双工技术需要具备极高的干扰消除能力，这对干扰消除技术提出了极大的挑战，同时还存在相邻小区同频干扰问题。在多天线及组网场3景下，全双工技术的应用难度更大。从目前自干扰消除的研究成果来看，全双工系统主要采用物理层干扰消除的方法。全双工系统的自干扰消除技术主要包括天线自干扰消除、模拟电路域自干扰消除以及数字域自干扰消除方法。天线自干扰消除方法主要依靠增加收发天线间损耗包括分隔收发信号、隔离收发天线、天线交叉极化［、天线调零法等；模拟电路域自干扰消除主要包括环形器隔离，通过模拟电路设计重建自干扰信号并从接收信号中直接减去重建的自干扰信号等；数字域自干扰消除方法主要依靠对自干扰进行参数估计和重建后，从接收信号中减去重建的自干扰来消除残留的自干扰［50］；全双工终端自干扰消除方法的原理如图7所示。目前的研究通过自干扰消除技术的联合应用，在特定的场景下，能够消除大部分自干扰(约120dB)，但是研究中的实验系统基本上是单基站、少天线和小带宽，并且干扰模型较为简单，对多小区、多天线、大带宽和复杂干扰模型下的全双工系统缺乏深入的理论分析和系统的实验验证。因此，在多小区、多天线、大带宽和复杂干扰模型等背景下，更加实用的自干扰消除技术需要进一步深入研究。为了使全双工技术在未来的无线网络中得到广泛的实际应用，对于全双工的研究，仍有很多工作需要完成，不仅需要不断深入地研究全双工技术的自干扰消除问题，还需要更加全面地思考全双工技术所面临的机遇和挑战，包括设计低功耗、低成本、小型化的天线来消除自干扰；解决全双工系统物理层的编码、调制、功率分配、波束赋形、信道估计、均衡、解码等问题；设计介质访问层及更高层的协议，确定全双工系统中干扰协调策略、网络资源管理以及全双工帧结构；全双工技术与大规模多天线技术的有效结合与系统性能分析等基于蜂窝网络的D2D通信在面向5G的无线通信技术的演进中，一方面，传统的无线通信性能指标，比如网络容量、频谱效率等需要持续提升以进一步提高有限且日益紧张的无线频谱利用率；另一方面，更丰富的通信模式以及由此带来的终端用户体验的提升以及蜂窝通信应用的扩展也是一个需要考虑的演进方向。作为面向5G的关键候选技术，设备到设备通信(Device-to-Device，D2D)具有潜在的提高系统性能、提升用户体验、扩展蜂窝通信应用的前景，受到广泛关注。基于蜂窝网络的D2D通信，或称为邻近服务(ProximityService，ProSe)，是指用户数据可不经网络中转而直接在终端之间传输。•提高频谱效率在D2D通信模式下，用户数据直接在终端之间传输，避免了蜂窝通信中用户数据经过网络中转传输，由此产生链路增益；其次，D2D用户之间以及D2D与蜂窝之间的资源可以复用，由此可产生资源复用增益；通过链路增益和资源复用增益则可提高无线频谱资源的效率，进而提高网络吞吐量(3)。•提升用户体验随着移动通信服务和技术的发展，具有邻近特性的用户间近距离的数据共享、小范围的社交和商业活动以及面向本地特定用户的特定业务，都在成为当前及下阶段无线平台中一个不可忽视的增长点。基于邻近用户感知的D2D技术的引入，有望提升上述业务模式下的用户体验。•扩展通信应用传统无线通信网络对通信基础设施的要求较高，核心网设施或接入网设备的损坏都可能导致通信系统的瘫痪。D2D通信的引入使得蜂窝通信终端建立AdHoc网络成为可能。当无线通信基础设施损坏，或者在无线网络的覆盖盲区，终端可借助D2D实现端到端通信甚至接入蜂窝网络，无线通信的应用场景得到进一步的扩展。值得注意的是，D2D通信在3GPPLTE系统中的标准化工作已经从LTERelease-12版本开始讨论。遗憾的是，LTERelease-12系统的D2D通信是一个只包括广播通信模式的功能非常有限的版本。D2D的潜在增益及应用场景需要在未来的5G系统中进一步发掘。针对前述应用场景，涉及接入侧的5G网络D2D的潜在技术需求包括如下方面：D2D发现技术，实现邻近D2D终端的检测及识别。对于多跳D2D网络，需要与路由技术结合考虑；同时考虑满足5G特定场景的需求如超密集网络中的高效发现技术、车联网场景中的超低时延需求等。D2D同步技术。一些特定场景如覆盖外场景或者多跳D2D网络会对保持系统的同步特性带来比较大的挑战。无线资源管理。5GD2D可能会包括广播、组播、单播等各种通信模式，以及多跳、中继等应用场景，因此调度及无线资源管理问题相对于传统蜂窝网络会有较大不同，也会更复杂。功率控制和干扰协调。相比传统的Peer-to-Peer（P2P）技术，基于蜂窝网络的D2D通信的一个主要优势在于干扰可控。不过，蜂窝网络中的D2D技术势必会对蜂窝通信带来额外干扰。并且，在5G网络D2D中，考虑到多跳、非授权LTE频段（LTE-U）的应用、高频通信等特性，功率控制及干扰协调问题的研究会非常关键。通信模式切换。包括D2D模式与蜂窝模式的切换、基于蜂窝网络D2D与其他P2P（如WLAN）通信模式的切换、授权频谱D2D通信与LTE-UD2D通信的切换等。先进的模式切换能够最大化无线通信系统的性能。密集网络4G中广泛采用的还是传统蜂窝结构式的无线接入网，尽管采用了一些先进的技术，仍然无法满足不断增长的用户和网络需求，接入网越来越成为严重影响用户体验的瓶颈。这迫使运营商在下一代移动通信网络中找到一种显著提高系统容量、减少网络拥塞、成本效益较高的接入网架构。结合集中化和云计算，新型的基于云的无线接入网架构（C-RAN）的提出能有效解决上述问题［4］。分布式的远端无线射频单元提供了一个高容量广覆盖的无线网络。高带宽低延迟的光传输网络需要将所有的基带处理单元和远端射频单元之间连接起来。基带池由高性能处理器构成，通过实时虚拟技术连接在一起，集合成异常强大的处理能力来为每个虚拟基站提供所需的处理性能需求。集中化的BBU池可以使BBU高效的利用，从而减少调度与运行的消耗。C-RAN的主要优点如下。C-RAN适应非均匀流量。通常一天中业务量峰值负荷是非峰值时段的10倍多。由于在C-RAN的架构下多个基站的基带处理是在集中BBU池进行，总体利用率可提高。所需的基带处理能力的池预计将小于单基站能力的总和［82］。作为基站的布局功能，分析表明，相比传统的RAN架构，C-RAN架构下BBU的数量可以减少很多［5］。2）能量和成本节约。采用C-RAN使电力成本减少，如在C-RAN的BBU数量相比传统无线接入网减少了。在低流量期间（夜间），池中的一些BBU可以关掉，不影响整体的网络覆盖。此外，RRH是悬挂在桅杆上或楼宇的墙壁上，能够自然冷却［6］，从而减少电量消耗。3）增加吞吐量，减少延迟。BBU池的设计使基带资源集中化，网络可以自适应地均衡处理，同时可以对大片区域内的无线资源进行联合调度和干扰协调，从而提高频谱利用率和网络容量。4）缓解网络升级和维护。C-RAN产生的失败可能因BBU池自动吸收重组，因此减少了对人为干预的需要，而且每当有硬件故障和升级需要时，人为干预也只需要在少数的几个BBU池进行，这刚好与传统无线接入网相反。由于硬件通常需要放在几个集中的地点，C-RAN与虚拟BBU池提出能够使新的标准方式平稳引入。目前，C-RAN的研究和挑战有如下3个方向。1）基于光网络的无线信号传输。由于C-RAN构架是由分布式RRH和集中式BBU组成的，因此，如何实现低成本、高带宽、低延迟的光传输网络成为C-RAN的一个挑战。2）动态无线资源分配和协作式无线处理。C-RAN系统的一个主要目标是显著提高系统频谱效率，并提高小区边缘用户吞吐量。C-RAN将采用有效的多小区联合资源分配和协作式的多点传输技术，可以提高系统频谱效率［7］。3）云计算应用于虚拟化技术。通信硬件和软件的虚拟化都会为通信网络和协议带来新的挑战，特别是在大规模协作信号处理和云计算中。目前，致力于无线接入虚拟化方面的云计算得到的关注较少，包括物理层的信号处理，介质访问控制（MAC）层的调度和资源分配以及网络层的自组织无线资源管理等。因此，将云计算运用于无线接入虚拟化将是未来一个重要的研究方向。新型网络架构5G无线网络架构的研究主要从增强特定应用场合如高速列车、热点场所、室内环境等覆盖以及吞吐量、增强用户数据速率以及QoS需求、增强频谱效率以及能量效率、降低网络延时等方面入手，具体可以总结如下：目前，56研究仍处于需求制定和空中接口技术攻关阶段，尚未提出明确的网络架构。但总的看来，5G无线网络架构存在两条发展路线：一是综合化发展，即“演进+创新”的路子，在演进型的2G/3G/4G多制式蜂窝网络、以及短距离无线通信网络的基础上，融入创新型无线接入技术，形成综合型的5G无线网络架构。二是颠覆性发展，即“变革”的路子。5G综合化发展的路子，也可以说是5G弥补了4G技术的不足，在数据速率、连接数量、时延、移动性、能耗等方面进一步提升系统性能，。它既不是单一的技术演进，也不是几个全新的无线接入技术，而是整合了新型无线接入技术和现有无线接入技术（WLAN，4G、3G等），通过集成多种技术来满足不同的需求，是一个真正意义上的融合网络。并且，由于融合，5G可以延续使用4G、3G的基础设施资源，并实现与之共存。移动网全球漫游、无缝部署、后向兼容的特点，决定了5G无线网络架构的设计不可能是“从零开始”的全新架构。然而，5G无线网络架构是一种演进，还是一种变革，将取决于运营商和用户需求、产业进程、时间要求和各方博弈等6多种因素。在5G架构设计的需求以及可能的技术方面，已经形成了一些共识。在需求方面，普遍将灵活、高效、支持多样业务、实现网络即服务等作为设计目标；在技术方面，SDN、NFV等成为可能的基础技术，核心网与接入网融合、移动性管理、策略管理、网络功能重组等成为值得进一步研究的关键问题。三、未来展望目前，世界各国针对未来5G移动通信网络在技术的可行性研究、标准化以及产品发展方面进行了大量的投入，5G的发展需要在统一的框架下进行全球范围内的协调。同时，在5G通信系统中，大规模多天线和信道建模等的不断研究和创新，不仅能够有效改善无线频谱的利用效率，而且加快了无线数据传输速率并支持更多终端的接入。为了应对未来信息社会高速发展的趋势，网络应具备智能化的自感知和自调整能力，C-RAN、D2D等技术的研究正是出于这一目的，并且高度的灵活性也将成为未来5G网络必不可少的特性之一。同时，绿色节能也将成为5G发展的重要方向，网络的功能不再以能源的大量消耗为代价，实现无线移动通信的可持续发展。未来的10年，移动通信将发生翻天覆地的变化，目前，46刚刚部署不久，还将持续很长的一段时间用于商用。作为面向2020年之后产业发展的新一代移动通信技术，5G在提高大带宽、解决万物互连、实现更可靠和更低时延通信方面具有重要影响。2016年，5G技术发展将进入中期，3GPPE经在2016年开始了5G标准的预研，后续5G技术方案征集、标准化工作等也会紧锣密鼓地开展。5G是一个融合的网络，也是一个更加复杂和密集的网络。5G的支持远超3G、4G网络所满足的场景、数据量及设备接入量，实现这一网络需要技术的不断发展和创新。此外，5G也将更全方位地注重用户体验，将根据不同用户的个性化需求智能部署，实现用户在任何时间、任何地点都能够方便、快捷地接入。同时，5G技术的未来不仅在于数据传输速度的进一步提升，更在于它是人