5G关键技术样本

5G核心技术简述姓名：李艺超学号210138目录目录 错误!未定义书签。TOC\o"1-5"\h\z一、 研究背景及意义 3二、 5G演进路线及发呈现状 5三、 5G网络优势及创新点 7四、 5G七大核心技术 8\o"CurrentDocument"1非正交多址接入技术(Non-OrthogonalMultipleAccess,NOMA) 81.1串行干扰删除(SIC) 91.2功率复用 102、 滤波组多载波技术(FBMC) 11\o"CurrentDocument"3、 亳米波(MillimeterWaves,mmWaves) 133.1亳米波小基站：增强高速环境下移动通信使用体验 143.2基于亳米波移动通信回程 15\o"CurrentDocument"4、 大规模MIM0技术(3D/MassiveMIM0) 15\o"CurrentDocument"5、 认矢口无线电技术(Cognitiveradiospectrumsensingtechniques) 19\o"CurrentDocument"6、 超密度异构网络(ultra-denseHctncts) 19\o"CurrentDocument"7、 多技术载波聚合(multi-technologycarrieraggregation) 22五、 5G将来前景 23六、 参照文献 24一、研究背景及意义自5月27H瑞典电信运营商Telia宣布启用世界上第一种4G(LTE：LongTermEvolution)试商用网络以来，4G网络布置己在全球全而开花。依照GSA最新报告，截至第2季度，全球111个国家已经布置了300多张LTE网络(其中41张为TD-LTE网络)，顾客总数达到2.45亿，市面上LTE终端达1900款。12月4日，工信部正式向三大电信运营商发放4G牌照，中华人民共和国移动、中华人民共和国联通、中华人民共和国电信均获得TD-LTE牌照。此举标志着中华人民共和国这一世界上最大移动通信市场正式进入4G时代。在短短一年间，中华人民共和国移动4G基站数达到了70万个，4G顾客即将达到7000万。从记录数据来看，4G网络发展速度远超当年3G网络，是移动通信史上发展速度最快技术体制，中华人民共和国加入将进一步刷新这一发展速度。有两个重要因素决定着面向下一代移动通信系统技术研发工作需要提上H程。一方而是通信技术自身持续发展需要：随着4G原则全而商用，标志着以4G原则为目的技术研发告一段落，而技术发展是不会止步，持续不断创新技术需要在下一代移动通信系统中体现它价值。另一方而是由持续增长顾客需求决定：智能手机高速发展引起了互联网从固定桌而迅速向移动终端转移革命，并带来了无线数据流量指数级增长。过去5年中，中华人民共和国移动数据流量增长了80多倍。同步物联网引入及迅速发展，不但对无线通信网络容量提出了规定，更对无线通信网络可以提供连接数有数量级提高规定。业界普遍预测，至9,移动通信网络容量需求是当前网络1000倍，连接数将是10-100倍。年初，ITU启动了名为“IMTforandbeyond”项目，目的瞄准下一代移动通信原则，并初步给岀了时间规划。第一步会在两到三年时间内完毕两份而向将来通信系统建议稿，分别是ITU-RM.[IMT.VISION]及ITU-RM.[IMTFutureTechnologyTrend]0基于此，当前业界对下一代移动通信系统统一称为IMT-o世界各个国家和地区积极响应ITU规划,制定了相应科研规划及经费资助筹划，组织公司、科研院校等进行科研攻关。某些初期研究成果通过5G白皮书形式刊登，涉及需求分析、应用场景研究及技术发展趋势判断等。二、5G演进路线及发呈现状当前，4G己经进入规模商用阶段，5G是继4G后新一代移动通信技术，从移动通信发呈现状以及技术、原则与产业演进趋势来看，将来5G移动通信技术演进存在三条重要演进路线，分别为以LTE/LTE-Advanced为代表蜂窝演进路线；WLAN演进路线和革命性演进路线。一方而，LTE/LTE-Advanced经是事实上全球统一4G原则，并将会在5G阶段继续演进。在产业化方面，LTE在全球范畴内商用化进程不断加快。原则化方而，3GPPR12版本原则化工作正在对小社区增强技术、新型多天线技术、终端直通技术、机器间通信等新技术开展研究和原则化工作。随着更多先进技术融入到LTE/LTE-Advanced技术原则中，给蜂窝移动通信带来了强大生命力和发展潜力。另一方面，无线局域网（WLAN）是当今全球应用最为普及宽带无线接入技术之一，拥有良好产业和顾客基本，巨大市场需求推动了WLAN技术发展，大量非授权频段也给WLAN技术提供了巨大发展空间。当前，IEEE己经启动了下一代WLAN原则“High-cfficiencyWLAN”研究，将进一步提高运营商业务能力，推动WLAN技术与蜂窝网络融合。此外，咱们还应当特别关注也许浮现革命性5G技术。从蜂窝移动通信演进路线来看，每一代演进均有革命性技术浮现，从2GGSM到3GCDMA,再到4GOFDM,那么，5G与否会浮现新一代革命性技术，而这种革命性技术与否需要与LTE演进采用不同技术路线，进而产生新一代空中接口技术，将成为咱们重点关注内容。从当前网络技术发呈现状来看，4G是现阶段使用最多技术，但是整个业界己经开始了对5G研讨和研发，5G简朴来说是形成人与物和物与物之间高速连接，实现整个网络，终端，无线和业务进一步融合。5G可以说是人在感知方而获取和控制能力更强，5G服务对象是将公众顾客向行业顾客拓展，网络也将更智能和更加广泛。从当前研究现状来看，欧盟于启动METIS项目，正式开始研究5G技术，现阶段METIS共有8个工作组进行相应横向课题研究，目的是为建立5G移动和无线通信系统奠定基木，为未移动通信和无线技术达到共识，当前己经在5G概念和核心技术上获得了较为统一结识。韩国从开始研发5G技术，成立了5GForum,积极推动6GHz以上频段为将来IMT频段，韩国筹划以实现该技术商用为目的，全而研发5G移动通信核心技术。日木于成立了ARIB研究所，开始正式对5G进行研究，筹划在东京奥运会上推出5G服务，日本研究者以为5G代表着接入网容量增长1000倍，通过使用大量高屡屡谱，再加上大规模MIMO技术来实现容量增长，可以说将来5G将会是人们通信生活核心。三、5G网络优势及创新点第一，全新应用。5G网络普及将使得涉及虚拟现实和增强现实这些技术成为主流。其中，增强现实可以将涉及出行方向、产品价格或者对方名字等信息投射在顾客视野中，例如可以投射在汽车前挡风玻璃上。虚拟现实则可以在顾客视野内创造出一种完全虚拟场景，而无论是虚拟现实还是增强现实，都对数据获取速度有着极高规定。第二，即时满足。4G网络下最快下载速度大概是每秒150MB,但5G网络最快下载速度则达到了每秒10GB。换句话说，咱们仅需4秒钟就可如下载完《银河护卫队》，而4G网络下则需要6分钟。第三，瞬时响应。除了可以在单位时间内传播更多数据以外，5G还可以大幅缩短数据开始传播前等待时间。咱们在4G网络观看视频前等待数秒并不是什么太大问题，但如果在自动驾驶汽车行驶时遇到数据延迟就完全不能接受了。详细来说，就当前4G网络而言，该网络普通需要15-25毫秒时间将数据传播给也许发生碰撞车辆，然后车辆才会开始紧急制动。但在将来5G网络下，这一数据传播时间将仅为1毫秒。四、5G七大核心技术为什么需要5G?不是由于通信工程师们突然想变化世界，而炮制了一种5Go是由于先有了需求，才有了5G。什么需求？将来网络将会晤对:1000倍数据容量增长，10至I」100倍无线设备连接，10至U100倍顾客速率需求，10倍长电池续航时间需求等等。坦白讲，4G网络无法满足这些需求，因此5G就必要登场。但是，5G不是一次革命。5G是4G延续，相信5G在核心网某些不会有太大变动，5G核心技术集中在无线某些。虽然5G最后将采用何种技术，当前还没有定论。本文收集了7大核心技术，分别对这些技术作简要简介。1、非正交多址接入技术(Non-OrthogonalMultipleAccess,NOMA)NOMA不同于老式正交传播，在发送端采用非正交发送，积极引入干扰信息，在接受端通过串行干扰删除技术实现对的解调。与正交传播相比，接受机复杂度有所提高，但可以获得更高频谱效率。非正交传播基木思想是运用复杂接受机设计来换取更高频谱效率，随着芯片解决能力增强，将使非正交传播技术在实际系统中应用成为也许。NOMA思想是，重拾3G时代非正交多顾客复用原理，并将之融合于当前4GOFDM技术之中。

从2G,3G到4G,多顾客复用技术无非就是在时域、频域、码域上做文章，而NOMA在OFDM基本上增长了一种维度——功率域。新增这个功率域目是，运用每个顾客不同途径损耗来实现多顾客复用。如表1所示：UsermultiplexingSignalwaveformLinkadaptationImageNon-orthogonal(CDMA)SinglecarrierFastTPCNon-orthogonalassistedbypowercontrol3・9j4GOrthogonalOFDM(orDFT-S-OFDM)AMCFOrthogonalbetweenusersFRANon-orthogona withSIC(NOMA)OFDM(orDFT-S-OFDM)AMC+PowerallocationUsermultiplexingSignalwaveformLinkadaptationImageNon-orthogonal(CDMA)SinglecarrierFastTPCNon-orthogonalassistedbypowercontrol3・9j4GOrthogonalOFDM(orDFT-S-OFDM)AMCFOrthogonalbetweenusersFRANon-orthogona withSIC(NOMA)OFDM(orDFT-S-OFDM)AMC+PowerallocationSuperposition&powerallocation表13G・3.9G/4G与FRA多址方式比较在NOMA中核心技术：串行干扰删除、功率复用。1.1串行干扰删除(SIC)在发送端，类似于CDMA系统，引入干扰信息可以获得更高频谱效率，但是同样也会遇到多址干扰(MAI)问题。关于消除多址干扰问题，在研究第三代移动通信系统过程中己经获得诸多成果，串行干扰删除(SIC)也是其中之一。NOMA在接受端采用SIC接受机来实现多顾客检测。串行干扰消除技术基木思想是采用逐级消除干扰方略，在接受信号中对顾客逐个进行判决，进行幅度恢复后，将该顾客信号产生多址

干扰从接受信号中减去，并对剩余顾客再次进行判决，如此循环操作,直至消除所有多址干扰。如图1所示：B5UE1src艸2signnlVRi出他Idecodingcb-UE2•VE2lecQdim<^tz FreqHiKhReceivedSINR图1下行链路中串行干扰删徐接收机采用NOMA方案的示意图1.2功率复用SIC在接受端消除多址干扰(MAI),需要在接受信号中对顾客进行判决来排出消除干扰顾客先后顺序，而判决根据就是顾客信号功率大小。基站在发送端会对不同顾客分派不同信号功率，来获取系统最大性能增益，同步达到区别顾客目，这就是功率复用技术。发送端采用功率复用技术。不同于其她多址方案，NOMA初次采用了功率域复用技术。功率复用技术在其她几种老式多址方案没有被充分运用，其不同于简朴功率控制，而是由基站遵循有关算法来进行功率分派。在发送端中，对不同顾客分派不同发射功率，从而提高系统吞吐率。另一方而，NOMA在功率域叠加各种顾客，在接受端，SIC接受机可以依照不同功率区别不同顾客，也可以通过诸如Turbo码和LDPC码信道编码来进行区别。这样，NOMA可以充分运用功率域，而功率域是在4G系统中没有充分运用。与OFDM相比，NOMA具备更好性能增益。NOMA可以运用不同途径损耗差别来对多路发射信号进行叠加，从而提高信号增益。它可以让同一社区覆盖范畴所有移动设备都能获得最大可接入带宽，可以解决由于大规模连接带来网络挑战。NOMA另一长处是，无需懂得每个信道CSI(信道状态信息),从而有望在高速移动场景下获得更好性能，并能组建更好移动节点回程链路。2、滤波组多载波技术(FBMC)在OFDM系统中，各个子载波在时域互相正交，它们频谱互相重叠，因而具备较高频谱运用率。OFDM技术普通应用在无线系统数据传播中，在OFDM系统中，由于无线信道多径效应，从而使符号间产生干扰。为了消除符号间干扰(IS1),在符号间插入保护间隔。插入保护间隔普通办法是符号间置零,即发送第一种符号后停留一段时间(不发送任何信息)，接下来再发送第二个符号。在OFDM系统中，这样虽然削弱或消除了符号间干扰，由于破坏了子载波间正交性，从而导致了子载波之间干扰(ICI)。因而，这种办法在OFDM系统中不能采用。在OFDM系统中，为了既可以消除ISI,又可以消除ICI,普通保护间隔是由CP（CyclePrefix，循环前缀来）充当。CP是系统开销，不传播有效数据,从而减少了频谱效率。而FBMC运用一组不交叠带限子载波实现多载波传播，FMC对于频偏引起载波间干扰非常小，不需要CP（循环前缀），较大提高了频率效率。图2OFDMA和FBMC实现简朴框图OFDM和FBIVIC：对比■没肓算环飼麋・提税;痢渐效WE图3OFDM和FBMC波形对比3、毫米波(MillimeterWaves,mmWaves)什么叫毫米波？频率30GHz到300GHz,波长范畴10到1毫米。由于足够量可用带宽，较高天线增益，毫米波技术可以支持超高速传播率，且波束窄，灵活可控，可以连接大量设备。如下图为例：蓝色手机处在4G社区覆盖边沿，信号较差，且有建筑物(房子)阻挡,此时，就可以通过毫米波传播，绕过建筑物阻挡，实现高速传播。同样，粉色手机同样可以使用毫米波实现与4G社区连接，且不会产生干扰。固然，由于绿色手机距离4G社区较近，可以直接和4G社区连接。Network蓝色蓝色图4毫米波技术高频段（毫米波）在5G时代各种无线接入技术叠加型移动通信网络中可以有如下两种应用场景:3」毫米波小基站：增强高速环境下移动通信使用体验如图5所示，在老式各种无线接入技术叠加型网络中，宏基站与小基站均工作于低频段，这就带来了频繁切换问题，顾客体验差。为解决这一核心问题，在将来叠加型网络中，宏基站工作于低频段并作为移动通信控制平而、毫米波小基站工作于高频段并作为移动通信顾客数据平帀［O图帀［O图5将毫米波应用于小基站3.2基于毫米波移动通信回程如图6所示，在采用毫米波信道作为移动通信回程后，叠加型网络组网就将具备很大灵活性(笔者注：相对于有线方式移动通信回程。由于在将来5G时代，小/微基站数目将非常庞大，并且布置方式也将非常复杂)，可以随时随处依照数据流量增长需求布置新小基站，并可以在空闲时段或轻流量时段灵活、实时关闭某些小基站，从而可以收到节能降耗之效。图6将毫米波应用于移动通信回程4、大规模MIMO技术(3D/MassiveMIMO)MIMO技术己经广泛应用于WIFI.LTE等。理论上，天线越多，频谱效率和传播可靠性就越高。详细而言，当前LTE基站多天线只在水平方向排列，只能形成水平方向波束，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天线设计参照了军用相控阵雷达思路，目的是更大地提高系统空间自由度。基于这一思想LSAS技术，通过在水平和垂直方向同步放置天线，增长了垂直方向波束维度，并提高了不同顾客间隔离（如图7所示）。同步，有源天线技术引入还将更好地提高天线性能，减少天线耦合导致能耗损失，使LSAS技术商用化成为也许。XXXX・•X…XU传统天議阵列41E布XXXX

XxXX<h）5G中•实于MotiveMIMO的夭线阵列扌非布图75G天线与4G天线对比由于LSAS可以动态地调节水平和垂直方向波束，因而可以形成针对顾客特定波束，并运用不同波束方向区别顾客（如图8所示）。基于LSAS3D波束成形可以提供更细空域粒度，提高单顾客MIMO和多顾客MIMO性能。

图8基于3D波束成形技术顾客区别同步，LSAS技术使用为提高系统容量带来了新思路。例如，可以通过半静态地调节垂直方向波束，在垂直方向上通过垂直社区别裂(cellsplit)区别不同社区，实现更大资源复用(如图9所示)。图9基于LSAS社区别裂技术大规模MIMO技术可以由某些并不昂贵低功耗天线组件来实现，为实当前高频段上进行移动通信提供了辽阔前景，它可以成倍提高无线频谱效率，增强网络覆盖和系统容量，协助运营商最大限度运用己有站址和频谱资源。

咱们以一种20平方厘米天线物理平面为例，如果这些天线以半波长间距排列在一种个方格中，贝如果工作频段为3.5GHz,就可布置16副天线；如工作频段为10GHz,就可布置169根天线了。2Ocm*2Ocrri天线物理平面20cmAntennaelementspacing(c/)3.5GHz(A=8.6cm)1OGHz(兄=2Ocm*2Ocrri天线物理平面20cmAntennaelementspacing(c/)3.5GHz(A=8.6cm)1OGHz(兄=3cm)20GHz(A=1.5cm)0.5Z161696760.7Z9<51山「-1; 361图1020*20cm天线物理平而布置LTE3D-MIMOMassiveMIMO A A 3D-MIMO技术在原有MIMO基木上增长了垂直维度，使得波束在空间上三维赋型，可避免了互相之间干扰。配合大规模MIMO,可实现多方向波束赋型。□□□□畝厲号□口□口□口□口□口□口□口□□□口□口口口□□□□畝厲号□口□口□口□口□口□口□口□□□口□口口口图11波束在空间上三维赋型5>认知无线电技术(Cognitiveradiospectrumsensingtechniques)认知无线电技术最大特点就是可以动态选取无线信道。在不产生干扰前提下，手机通过不断感知频率，选取并使用可用无线频谱。认知I无线电技术 Alternativeavailablereso*———Oldbrokenlink图12认知无线电技术6、超密度异构网络(ultra・denseHetnets)立体分层网络(HetNct)是指，在宏蜂窝网络层中布放大量微蜂窝(Microcell)＞微微蜂窝(Picocell)、毫微微蜂窝(Femtocell)等接入点，来满足数据容量增长规定。为应对将来持续增长数据业务需求，采用更加密集社区布置将成为5G提高网络总体性能一种办法。通过在网络中引入更多低功率节点可以实现热点增强、消除盲点、改进网络覆盖、提高系统容量目。但是，随着社区密度增长，整个网络拓扑也会变得更为复朵，会带来更加严重干扰问题。因而，密集网络技术一种重要难点就是要进行有效干扰管理,提高网络抗干扰性能，特别是提高社区边沿顾客性能。密集社区技术也增强了网络灵活性，可以针对顾客暂时性需求和季节性需求迅速布置新社区。在这一技术背景下，将来网络架构将形成“宏蜂窝+长期微蜂窝+暂时微蜂窝”网络架构（如图13所示）。这一构造将大大减少网络性能对于网络前期规划依赖，为5G时代实现更加灵活自适应网络提供保障。图13超密集网络组网网络架构到了5G时代，更多物-物连接接入网络，HetNet密度将会大大增长。与此同步，社区密度增长也会带来网络容量和无线资源运用率大幅度提高。仿真表白，当宏社区顾客数为200时，仅仅将微蜂窝渗入率提高到20%,就也许带来理论上1000倍社区容量提高（如图14所示）。

同步，这一性能提高会随着顾客数量增长而更加明显。考虑到5G重要服务区域是都市中心等人员密度较大区域，因而，这一技术将会给5G发展带来巨大潜力。固然，密集社区所带来社区间干扰也将成为5G面临重要技术难题。当前，在这一领域研究中，除了老式基于时域、频域、功率域干扰协调机制外，3GPPRel-11提出了进一步增强社区干扰协调技术(elCIC),涉及通用参照信号(CRS)抵消技术、网络侧社区检测和干扰消除技术等。这些elCIC技术均在不同自由度上，通过调度使得互相干扰信号互相正交，从而消除干扰。除此之外，尚有某些新技术引入也为干扰管理提供了新手段，如认知技术、干扰消除和干扰对齐技术等。随着有关技术难题陆续解决，在5G中，密集网络技术将得到更加广泛应用。18()()x■25用户/小区■200用户/小区6()()Hk2()(

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nHl)x1空2()%的微小区渗透率，就LU厂口可以提升1()0()倍系统能厉口iII. ・ ・ ・l r,iii40%0%20%30%50%图14超密集组网技术带来系统容量提高7、多技术载波聚合(multhtechnologycarrieraggregation)咱们懂得，3GPPR12己经提到这一技术原则。将来网络是一种融合网络，载波聚合技术不但要实现LTE内载波间聚合，还要扩展到与3G、WIFI等网络融合。多技术载波聚合技术与HetNet—起，终将实现万物之间无缝连接。图15多技术载波聚合五、5G将来前景5G时代技术特性重要有三点：一是大容量，不但是人们常说1000倍容量增长，还涉及顾客接入速率最高可达lOGbps,实现光纤般接入体验，使得顾客感受不届时延，与网络“零距离”；二是大规模接入数量,5G不但提供H2H服务，还涉及M2M、H2M,而将来增长很大限度上来自于InternetofThings,这不但带来技术上变化，还会给商业模式也带来巨大变革;三是5G将是全频谱接入，到5G,技术和频谱将与频段解耦,将有一种统一空口技术，统一无线网络，低频宏蜂窝，中高频微蜂窝，高频本地接入，对于最后顾客来说，感受不到是采用什么接入技术，也感受不到是允许频段还是免允许频段。为了支撑无线业务持续增长，以及支撐ICT产业迎接大数据挑战，5G无线网络将会在-2030年间投入运营。其中最核心驱动因素是将来十年内1000倍无线数据流量增长、1000亿链接物链网无线联网新商机、以及全频谱无线接入所带来超高速无线链接。