劉晨+陳鵬
摘 要:第五代通信技術(shù)(5G)不同于以前的通信技術(shù),技術(shù)上有了很大的更新。無線傳輸技術(shù)方面采用了大規(guī)模天線技術(shù),新的編碼技術(shù)與信道建模。無線接入方面采取了新的針對不同場景的技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上,5G采用了C-RAN與D2D技術(shù)。5G不僅僅是數(shù)據(jù)速度的提升,更是人類能力的延伸。文章預(yù)計在2020年5G將正式應(yīng)用于大眾生活。
關(guān)鍵詞:5G;無線傳輸技術(shù);無線接入;網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
1 通信系統(tǒng)概述
自從20世紀(jì)70年代第一代通信系統(tǒng)產(chǎn)生,應(yīng)用到今天,移動通信已經(jīng)從模擬語音發(fā)展到了移動寬帶服務(wù)技術(shù),終端用戶不斷增加,數(shù)據(jù)速率不斷提高。第五代通信技術(shù)5G與之前的通信業(yè)務(wù)相比通信速率更大、容量更大、端到端的時延變小。5G業(yè)務(wù)面向的是多場景業(yè)務(wù),在多樣化設(shè)備情況下也要求達(dá)到始終如一的用戶體驗質(zhì)量。
在2015年國際電信聯(lián)盟發(fā)布了《IMT愿景—2020年之后IMT未來發(fā)展的框架和總體目標(biāo)》,開啟了5G研究。2017年進(jìn)行5G技術(shù)方案候選征集[1],如圖1所示。2018年完成5G標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定,2019年開始5G的產(chǎn)品研發(fā)。
2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
5G網(wǎng)絡(luò)將多種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合,不僅包括原來的傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、WiFi等網(wǎng)絡(luò),還進(jìn)一步增加了相匹配的大規(guī)模多天線網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò),可見光通信網(wǎng)絡(luò),設(shè)備直連通信等。將這些網(wǎng)絡(luò)通過一個統(tǒng)一的核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管控,以超快的速率和超低時延將各個網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行信息交互實現(xiàn)多場景的通信與控制[2]。
如圖2所示,5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以分成3個方面,分別是控制平面,接入平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面。其中,控制平面是集中控制和集中調(diào)度無線資源的平面。接入平面是實現(xiàn)多種無線設(shè)備和基站之間的快速靈活接入。轉(zhuǎn)發(fā)平面是通過分布式網(wǎng)關(guān)和在控制平面的統(tǒng)一控制下實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和靈活性。
3 5G關(guān)鍵技術(shù)
3.1 無線傳輸技術(shù)
3.1.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)
大規(guī)模MIMO技術(shù)深度利用空間維度資源使得網(wǎng)絡(luò)中多個用戶在同一時間和基站進(jìn)行通信,同時具有降低干擾,提高功率的特點。針對5G系統(tǒng)MIMO技術(shù)會帶來很多優(yōu)勢,包括空間分辨率的大大提升,集中特定方向和用戶實現(xiàn)可靠傳輸,提升頻譜利用率和能量利用率等。基于以上優(yōu)點,MIMO技術(shù)被認(rèn)為是5G系統(tǒng)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。
但是MIMO技術(shù)也有一些問題需要解決,如導(dǎo)頻污染問題。當(dāng)相鄰小區(qū)采用同一套訓(xùn)練序列時,或者采用的導(dǎo)頻非正交時,這兩種情況下會產(chǎn)生導(dǎo)頻污染。因此TDD時分雙工和FDD頻分雙工在實際應(yīng)用中有很大的區(qū)別。由于信道互惠策略,大規(guī)模天線技術(shù)應(yīng)采用TDD系統(tǒng)。此外,MIMO系統(tǒng)成本較高,因此搭建大規(guī)模多天線系統(tǒng)還是很難的[3]。
圖2 5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架
3.1.2 信道建模
信道建模通過對信道抽象性信息特征的提取和描述,用一系列相關(guān)參數(shù)表征無線信道物理特征,進(jìn)而準(zhǔn)確刻畫信道的傳播機制。信道建模是評估無線技術(shù)最主要的特征之一。針對5G,信道建模有了新的特征。
(1)空間的雙移動性和連續(xù)性。傳統(tǒng)信道是一個移動端,另一個接收端是固定的,但是5G網(wǎng)絡(luò)中融合了D2D通信,要求發(fā)射端和接收端都是移動的,而非固定。這就要求新的信道建模建立在空間的雙移動性上。根據(jù)實際的需要要求空間建模具有連續(xù)性[4-5]。(2)大規(guī)模多天線陣列。要求球面波代替以前的平面波,由于天線陣列增加,衰落表現(xiàn)出非靜態(tài)[6]。(3)高頻段信道。未來短距離通信速率達(dá)到幾G,十幾G,大量毫米波段將是新的應(yīng)用前景。毫米波段具有高敏感性、高散射、高路損的特點[7]。隨著5G技術(shù)的深入研究,有不同的學(xué)術(shù)機構(gòu)也對其進(jìn)行了建模。
3.1.3 信道編碼
相對比4G,5G采用了密度奇偶校驗(LDPC)碼和極化(polar)碼作為信道編碼。其中LDPC碼用于數(shù)據(jù)信道編碼方案,而polar碼用于控制信道信息的編碼方案。LDPC碼最早是由Gallager在其博士論文中提出來的,是一種具有稀疏奇偶校驗矩陣的分組碼。早期由于硬件電路的限制,LDPC碼一直沒有受到重視,到現(xiàn)在硬件發(fā)展了,LDPC碼具有很強的抗干擾性,比較復(fù)雜?,F(xiàn)在LDPC碼研究主要集中在尋找低復(fù)雜度的編碼和譯碼方案。Polar碼是由Arikan提出的。Polar碼是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)的唯一能達(dá)到香農(nóng)極限的編碼方案,可以由簡單的譯碼器和編碼器實現(xiàn),具有較低的復(fù)雜度[8]。
3.1.4 全雙工技術(shù)
全雙工技術(shù)也叫作同時同頻全雙工技術(shù)(CCFD)。全雙工技術(shù)指移動終端可以在同一時段同一頻率發(fā)送和接收信號。全雙工技術(shù)多采用收發(fā)獨立天線,當(dāng)收發(fā)天線距離較近并且功率差別較大時,接收天線會產(chǎn)生強烈的自干擾。如何消除自干擾是全雙工技術(shù)的核心問題?,F(xiàn)有的消除自干擾的技術(shù)主要是針對物理層干擾消除的方法[9]。
3.2 無線接入技術(shù)
多址技術(shù)是每一代通信最具區(qū)別性的特征。5G除了支持傳統(tǒng)的正交頻分多址技術(shù)(OFDMA)以外還支持多種新型的多址技術(shù),包括非正交多址接入(NOMA)、稀疏編碼多址接入(SCMA)、圖樣分割多址接入(PDMA)、多用戶共享接入(MUSA)等多種新型接入技術(shù)[10]。
3.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
3.3.1 C-RAN
由于5G網(wǎng)絡(luò)擁有更大的系統(tǒng)容量、更少的時延和更多樣化的場景,所以對接入網(wǎng)絡(luò)有更高的要求。針對5G網(wǎng)絡(luò)本文提出了一種基于云的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)C-RAN。C-RAN網(wǎng)絡(luò)具有集中化處理、協(xié)作式無線電和實時云計算構(gòu)架的特點,是一種綠色無線接入網(wǎng)構(gòu)架。分布式的遠(yuǎn)端無線射頻單元(RRH)形成一個個高容量的網(wǎng)絡(luò),遠(yuǎn)端射頻單元通過低延時高帶寬的光傳輸網(wǎng)絡(luò)與集中式基帶處理池(BBU pool)連接起來。C-RAN具有減少基站機房數(shù)量、提高功率、節(jié)約成本、減少延時的特點[11]。
3.3.2 D2D
通信設(shè)備之間直接通信(Device to Device Communication,D2D)指的是兩個通信設(shè)備之間無需通過基站進(jìn)行通信的新技術(shù)。由于降低時延,提升系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能、減少基站壓力的特性,D2D將會是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢。比如在車聯(lián)網(wǎng)中,人車、車車、車路之間進(jìn)行頻繁的短程通信,通過D2D技術(shù)可以大大減少時延,提高通信質(zhì)量[12]。
4 結(jié)語
本文介紹總結(jié)了5G的發(fā)展歷程,通過無線傳輸技術(shù)、無線接入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3個方面介紹了5G的關(guān)鍵技術(shù)。未來5G網(wǎng)絡(luò)將朝著高度靈活、智能、開放以及綠色節(jié)能的方向發(fā)展。5G標(biāo)準(zhǔn)草案將于2017年11月份敲定并通過。據(jù)研究人員預(yù)測,正式的5G標(biāo)準(zhǔn)將于2019年最終敲定并面世。預(yù)計在2020年,5G將成為主要的移動通信系統(tǒng)。