LTE-5G学习笔记18--5G关键技术（想学更多快进群）

Posted 2022-12-13 尘封的记忆0

一、研究的背景及意义

自2009年5月27日瑞典电信运营商Telia宣布启用世界上第一个4G （LTE： Long Term Evolution）试商用网络以来，4G网络的部署已在全球全面开花。根据GSA的最新报告，截至2014年第2季度，全球111个国家已经部署了300多张LTE网络（其中41张为TD-LTE网络），用户总数达到2.45亿，市面上的LTE终端达1900款。2013年12月4日，工信部正式向三大电信运营商发放4G牌照，中国移动、中国联通、中国电信均获得TD-LTE牌照。此举标志着中国这一世界上最大的移动通信市场正式进入4G时代。在短短一年间，中国移动的4G基站数达到了70万个，4G用户即将达到7000万。从统计数据来看，4G网络的发展速度远超当年的3G网络，是移动通信史上发展速度最快的技术体制，中国的加入将进一步刷新这一发展速度。

有两个主要因素决定着面向下一代移动通信系统的技术研发工作需要提上日程。一方面是通信技术自身持续发展的需要：随着4G标准的全面商用，标志着以4G标准为目标的技术研发告一段落，而技术的发展是不会止步的，持续不断的创新技术需要在下一代移动通信系统中体现它的价值。另一方面是由持续增长的用户需求决定的：智能手机的高速发展引发了互联网从固定桌面快速向移动终端转移的革命，并带来了无线数据流量的指数级增长。过去5年中，中国移动的数据流量增长了80多倍。同时物联网的引入及快速发展，不仅对无线通信网络的容量提出了要求，更对无线通信网络能够提供的连接数有数量级的提高要求。业界普遍预测，到2020年，移动通信网络的容量需求是目前网络的1000倍，连接数将是10~100倍。

2012年年初, ITU启动了名为“IMT for 2020 and beyond”的项目，目标瞄准下一代移动通信标准，并初步给出了时间规划。第一步会在两到三年的时间内完成两份面向未来通信系统的建议稿，分别是ITU-R M.[IMT.VISION]及ITU-R M.[IMT Future Technology Trend]。基于此，目前业界对下一代移动通信系统统一称为IMT-2020。世界各个国家和地区积极响应ITU的规划，制定了相应的科研规划及经费资助计划，组织企业、科研院校等进行科研攻关。部分早期的研究成果通过5G白皮书的形式发表，包括需求分析、应用场景研究及技术发展趋势判断等。

二、5G的演进路线及发展现状

目前，4G已经进入规模商用阶段，5G是继4G后新一代的移动通信技术，从移动通信发展现状以及技术、标准与产业的演进趋势来看，未来5G移动通信技术的演进存在三条重要的演进路线，分别为以LTE/LTE-Advanced为代表的蜂窝演进路线；WLAN演进路线和革命性演进路线。首先，LTE/LTE-Advanced已经是事实上的全球统一的4G标准，并将会在5G阶段继续演进。在产业化方面，LTE在全球范围内的商用化进程不断加快。标准化方面，3GPP R12版本的标准化工作正在对小小区增强技术、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标准化工作。随着更多的先进技术融入到LTE/LTE-Advanced技术标准中，给蜂窝移动通信带来了强大的生命力和发展潜力。

其次，无线局域网（WLAN）是当今全球应用最为普及的宽带无线接入技术之一，拥有良好的产业和用户基础，巨大的市场需求推动了WLAN技术的发展，大量的非授权频段也给WLAN技术提供了巨大的发展空间。目前，IEEE已经启动了下一代WLAN标准“High-efficiency WLAN”的研究，将进一步提升运营商业务能力，推动WLAN技术与蜂窝网络的融合。

此外，我们还应当特别关注可能出现的革命性5G技术。从蜂窝移动通信的演进路线来看，每一代演进都有革命性技术出现，从2G的GSM到3G的CDMA，再到4G的OFDM，那么，5G是否会出现新一代的革命性技术，而这种革命性技术是否需要与LTE演进采用不同的技术路线，进而产生新一代的空中接口技术，将成为我们重点关注的内容。

     从目前网络技术发展现状来看，4G是现阶段使用最多的技术，但是整个业界已经开始了对5G的研讨和研发，5G简单的来说是形成人与物和物与物之间的高速连接，实现整个网络，终端，无线和业务的进一步融合。5G可以说是人在感知方面的获取和控制能力更强，5G的服务对象是将公众用户向行业用户拓展，网络也将更智能和更加的广泛。从目前的研究现状来看，欧盟于2012年启动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，目标是为建立5G移动和无线通信系统奠定基础，为未移动通信和无线技术达成共识，目前已经在5G的概念和关键技术上获得了较为统一的认识。韩国从2013年开始研发5G技术，成立了5G Forum，积极推动6GHz以上频段为未来IMT频段，韩国计划以2020年实现该技术的商用为目标，全面研发5G移动通信核心技术。日本于2013年成立了ARIB研究所，开始正式对5G进行研究，计划在2020年东京奥运会上推出5G服务，日本研究者认为5G代表着接入网容量增加1000倍，通过使用大量高频频谱，再加上大规模MIMO技术来实现容量的增加，可以说未来5G将会是人们通信生活的核心。

三、5G网络的优势及创新点

    第一，全新应用。5G网络的普及将使得包括虚拟现实和增强现实这些技术成为主流。

其中，增强现实可以将包括出行方向、产品价格或者对方名字等信息投射在用户视野中，比如可以投射在汽车的前挡风玻璃上。虚拟现实则可以在用户视野内创造出一个完全虚拟的场景，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的要求。

    第二，即时满足。4G网络下的最快下载速度大约是每秒150MB，但5G网络的最快下载速度则达到了每秒10GB。换句话说，我们仅需4秒钟就可以下载完《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输更多数据以外，5G还可以大幅缩短数据开始传输前的等待时间。

我们在4G网络观看视频前等待数秒并不是什么太大的问题，但如果在自动驾驶汽车行驶时碰到数据延迟就完全不能接受了。具体来说，就目前4G网络而言，该网络通常需要15-25毫秒的时间将数据传输给可能发生碰撞的车辆，然后车辆才会开始紧急制动。但在未来的5G网络下，这一数据的传输时间将仅为1毫秒。

四、5G的七大关键技术

为什么需要5G？不是因为通信工程师们突然想改变世界，而炮制了一个5G。是因为先有了需求，才有了5G。什么需求？

未来的网络将会面对：1000倍的数据容量增长，10到100倍的无线设备连接，10到100倍的用户速率需求，10倍长的电池续航时间需求等等。坦白的讲，4G网络无法满足这些需求，所以5G就必须登场。

但是，5G不是一次革命。5G是4G的延续，相信5G在核心网部分不会有太大的变动，5G的关键技术集中在无线部分。虽然5G最终将采用何种技术，目前还没有定论。本文收集了7大关键技术，分别对这些技术作简要介绍。

1、非正交多址接入技术（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）

NOMA不同于传统的正交传输，在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除技术实现正确解调。与正交传输相比，接收机复杂度有所提升，但可以获得更高的频谱效率。非正交传输的基本思想是利用复杂的接收机设计来换取更高的频谱效率，随着芯片处理能力的增强，将使非正交传输技术在实际系统中的应用成为可能。NOMA的思想是，重拾3G时代的非正交多用户复用原理，并将之融合于现在的4G OFDM技术之中。

从2G，3G到4G,多用户复用技术无非就是在时域、频域、码域上做文章，而NOMA在OFDM的基础上增加了一个维度——功率域。新增这个功率域的目的是，利用每个用户不同的路径损耗来实现多用户复用。如表1所示：

                  

 

在NOMA中的关键技术：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的频谱效率，但是同样也会遇到多址干扰(MAI)的问题。关于消除多址干扰的问题，在研究第三代移动通信系统的过程中已经取得很多成果，串行干扰删除(SIC)也是其中之一。NOMA在接收端采用SIC接收机来实现多用户检测。串行干扰消除技术的基本思想是采用逐级消除干扰策略，在接收信号中对用户逐个进行判决，进行幅度恢复后，将该用户信号产生的多址干扰从接收信号中减去，并对剩下的用户再次进行判决，如此循环操作，直至消除所有的多址干扰。如图1所示：

                     

1.2 功率复用

SIC在接收端消除多址干扰(MAI)，需要在接收信号中对用户进行判决来排出消除干扰的用户的先后顺序，而判决的依据就是用户信号功率大小。基站在发送端会对不同的用户分配不同的信号功率，来获取系统最大的性能增益，同时达到区分用户的目的，这就是功率复用技术。发送端采用功率复用技术。不同于其他的多址方案，NOMA 首次采用了功率域复用技术。功率复用技术在其他几种传统的多址方案没有被充分利用，其不同于简单的功率控制，而是由基站遵循相关的算法来进行功率分配。在发送端中，对不同的用户分配不同的发射功率，从而提高系统的吞吐率。另一方面，NOMA 在功率域叠加多个用户，在接收端，SIC 接收机可以根据不同的功率区分不同的用户，也可以通过诸如Turbo 码和LDPC 码的信道编码来进行区分。这样，NOMA 能够充分的利用功率域，而功率域是在4G系统中没有充分利用的。与OFDM 相比，NOMA 具有更好的性能增益。

NOMA可以利用不同的路径损耗的差异来对多路发射信号进行叠加，从而提高信号增益。它能够让同一小区覆盖范围的所有移动设备都能获得最大的可接入带宽，可以解决由于大规模连接带来的网络挑战。

NOMA的另一优点是，无需知道每个信道的CSI（信道状态信息），从而有望在高速移动场景下获得更好的性能，并能组建更好的移动节点回程链路。

2、滤波组多载波技术（FBMC）

在OFDM系统中，各个子载波在时域相互正交，它们的频谱相互重叠，因而具有较高的频谱利用率。OFDM技术一般应用在无线系统的数据传输中，在OFDM系统中，由于无线信道的多径效应，从而使符号间产生干扰。为了消除符号间干扰(ISl)，在符号间插入保护间隔。插入保护间隔的一般方法是符号间置零，即发送第一个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，这样虽然减弱或消除了符号间干扰，由于破坏了子载波间的正交性，从而导致了子载波之间的干扰(ICI)。因此，这种方法在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，通常保护间隔是由CP（Cycle Prefix ，循环前缀来)充当。CP是系统开销，不传输有效数据，从而降低了频谱效率。

而FBMC利用一组不交叠的带限子载波实现多载波传输，FMC对于频偏引起的载波间干扰非常小，不需要CP（循环前缀），较大的提高了频率效率。

                          

                                                                                   图2 OFDMA和FBMC实现的简单框图

                                

                                                                                       图3 OFDM和FBMC的波形对比

3、毫米波（Millimeter Waves ，mm Waves) 什么叫毫米波？频率30GHz到300GHz,波长范围10到1毫米。 由于足够量的可用带宽，较高的天线增益，毫米波技术可以支持超高速的传输率，且波束窄，灵活可控，可以连接大量设备。以下图为例： 蓝色手机处于4G小区覆盖边缘，信号较差，且有建筑物（房子）阻挡，此时，就可以通过毫米波传输，绕过建筑物阻挡，实现高速传输。 同样，粉色手机同样可以使用毫米波实现与4G小区的连接，且不会产生干扰。当然，由于绿色手机距离4G小区较近，可以直接和4G小区连接。

                                

                                                                                                   图4 毫米波技术

高频段（毫米波）在5G时代的多种无线接入技术叠加型移动通信网络中可以有以下两种应用场景：

3.1 毫米波小基站：增强高速环境下移动通信的使用体验

如图5所示，在传统的多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的问题，用户体验差。为解决这一关键问题，在未来的叠加型网络中，宏基站工作于低频段并作为移动通信的控制平面、毫米波小基站工作于高频段并作为移动通信的用户数据平面。

                           

                                                                                            图5  将毫米波应用于小基站

3.2 基于毫米波的移动通信回程

如图6所示，在采用毫米波信道作为移动通信的回程后，叠加型网络的组网就将具有很大的灵活性（笔者注：相对于有线方式的移动通信回程。因为在未来的5G时代，小/微基站的数目将非常庞大，而且部署方式也将非常复杂），可以随时随地根据数据流量增长需求部署新的小基站，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 /Massive MIMO）

MIMO技术已经广泛应用于WIFI、LTE等。理论上，天线越多，频谱效率和传输可靠性就越高。

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7 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。

                          

                                                                              图7 5G 天线与4G 天线对比

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8 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。

                                                    

                                                                               图8  基于3D 波束成形技术的用户区分

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（cell split）区分不同的小区，实现更大的资源复用（如图9所示）。

                                                     

                                                                                      图9  基于LSAS 的小区分裂技术

大规模MIMO技术可以由一些并不昂贵的低功耗的天线组件来实现，为实现在高频段上进行移动通信提供了广阔的前景，它可以成倍提升无线频谱效率，增强网络覆盖和系统容量，帮助运营商最大限度利用已有站址和频谱资源。

我们以一个20平方厘米的天线物理平面为例，如果这些天线以半波长的间距排列在一个个方格中，则：如果工作频段为3.5GHz，就可部署16副天线；如工作频段为10GHz，就可部署169根天线了。

                               

                                                                             图10  20*20cm天线物理平面部署

3D-MIMO技术在原有的MIMO基础上增加了垂直维度，使得波束在空间上三维赋型，可避免了相互之间的干扰。配合大规模MIMO，可实现多方向波束赋型。

                                    

                                                                                     图11  波束在空间上三维赋型

5、认知无线电技术（Cognitive radio spectrum sensing techniques）

认知无线电技术最大的特点就是能够动态的选择无线信道。在不产生干扰的前提下，手机通过不断感知频率，选择并使用可用的无线频谱。

                                          

6、超密度异构网络（ultra-dense Hetnets）

立体分层网络（HetNet）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要求。

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13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。

                           

到了5G时代，更多的物-物连接接入网络，HetNet的密度将会大大增加。

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1 000 倍的小区容量提升（如图14 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，3GPP Rel-11 提出了进一步增强的小区干扰协调技术（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。

                          

                                                                       图14  超密集组网技术带来的系统容量提升

7、多技术载波聚合（multi-technology carrier aggregation）

    我们知道，3GPP R12已经提到这一技术标准。未来的网络是一个融合的网络，载波聚合技术不但要实现LTE内载波间的聚合，还要扩展到与3G、WIFI等网络的融合。

多技术载波聚合技术与HetNet一起，终将实现万物之间的无缝连接。

                                

                                                                                         图15 多技术载波聚合

五、5G未来前景

5G时代的技术特征主要有三点：一是大容量，不仅是大家常说的1000倍容量增长，还包括用户接入速率最高可达10Gbps，实现光纤般的接入体验，使得用户感受不到时延，与网络“零距离”;二是大规模接入数量，5G不仅提供H2H的服务，还包括M2M、H2M，而未来的增长很大程度上来自于Internet of Things，这不仅带来技术上的变化，还会给商业模式也带来巨大的变革;三是5G将是全频谱接入，到5G，技术和频谱将与频段解耦，将有一个统一的空口技术，统一的无线网络，低频的宏蜂窝，中高频的微蜂窝，高频的本地接入，对于最终用户来说，感受不到是采用什么接入技术，也感受不到是许可频段还是免许可频段。

为了支撑无线业务持续增长，以及支撑ICT产业迎接大数据的挑战，5G无线网络将会在2020-2030年间投入运营。其中最关键的驱动因素是未来十年内1000倍的无线数据流量增长、1000亿链接的物链网无线联网的新商机、以及全频谱无线接入所带来的超高速无线链接。这样的高速无线链接能给用户带来光纤般的体验——10 G bit每秒——比当今市面上最快的移动终端还要快100倍!以此实现信息管道的极致境界：超宽带，零等待，全智能，终端客户与网络的距离将完全消失。

六、参考文献

[l]  Soldani D, Manzalini A. Horizon 2020 and beyond: On the 5G operating system for a true digital society[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine. 2015 . 10(1) : 32-42.

[2]  Wu Y, Chen Y, Tang J. SO D. et al. Green transmission technologies for balancing the energy efficiency and spectrum efficiency trade-off[J]. IEEE Communications Magazine . 2014 .52(11) : 112-120.

[3]  Cavalcante R, Sta czak S, Schubert M,et al. Toward energy-efficient 5G wireless conlmunications technologies[J]. IEEE Signal Proccssing Magazinc . 2014, 31(6): 24-34.

[4]Ghosh A. Mangalvcdhc N . Ratasuk R. ct al. Heterogcneous ccllular networks : From theory to practiee[J]. IEEE Communications Magazine. 2012 . 50(6):54-64.

[5]  Zhang X. Chcng W. Zhang H. Heterogeneous statistical QoS provisioning over 5G mobilc wireless networks[J]. IEEE Network. 2014,28(6): 56-53.

[6]  Sabcllal D. Domenico A. Katranaras E,et al. Energy efficiency benefits of RAN-as-a-Service concept for a cloud-based 5 Gmobile network infrastructure[J]. IEEE Access. 2014，2: 1586-1697.

 

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