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4G关键技术;
5G网络框架;
MIMO;
OFDM;
蜂窝技术
Abstract
Theincreasingnumberofglobalmobileusersandtherisingrequirementofspeedandqualitydirectlycontributetothedevelopmentofcommunicationtechnology.Underthecircumstanceofprevalent4G,bytracingitstechnologyandcurrentsituation,wecanpredict5G’sconceptpossiblefuturedirection.Although5G’spotentialtechnologyisstillunderdebate,ithasmoreopportunitiesthanchallengesonthewholewhile4G’sdevelopmentlayagoodfoundationof5G.
Keywords:
4Gtechnology;
5Gframework;
MIMO;
OFDM;
cellularnetwork
第1章引言
追溯通信系统的发展,从最初的模拟蜂窝通信(1G)到以全球移动通信系统(GSM)和IS95为代表的第二代通信(2G),随后又到TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000三足鼎立的第三代移动通信系统(3G)人们已经不满足3G所带来的信息冲击,只有发展新技术才能满足用户更加多样化的需求。
因此,第四代移动通信系统(4G)乃至第五代移动通信系统(5G)应运而生。
从1G到目前商用的4G,接入网的数据传输速率提升了一万倍,其演进过程是有迹可循的,接入网在不同通信系统下的数据传输速率如图1所示[1]。
图1接入网在不同通信系统下的数据传输速率
4G的异构蜂窝网络基于IP可以支持不同的接入技术,满足人们在任何地点都不受限制的接入进网络,还可以自由的选择业务类型的要求。
凭借高速率、高智能性以及高覆盖性的特点正在逐渐取代3G时期的传统蜂窝网络。
其核心支撑技术,如OFDM、MIMO、软件无线电、智能天线等,保证了4G用户在各种网络场景下的数据速率、可靠性和节能等要求。
更快的速度和更高的安全性给用户带来了更好的通信体验。
4G通信目前正处在发展高峰期,其主流标准LTE-Advanced包括LTETDD和FDDLTE这两种制式目前,中国三大运营商拿到的都是LTETDD制式的4G牌照。
我国也正处于4G技术商业应用的高速发展阶段,网络的巨大投资给网络优化行业带来了广阔的市场空间。
随着2013年4G牌照的下发和各大运营商对4G业务的逐渐推进,一个更快的4G时代已经逐渐渗透进人们的生活中。
相比现今广为流行的4G移动通信,5G在资源利用率、传输速率、频谱利用率、功耗等各方面都有明显的优势,而且在用户体验、传输时延、无线网络的覆盖性能等方面也会得到很大程度的提高[2]。
尤其在融合先进的无线移动技术后,5G移动通信将向自动化、智能化以及全面化方向发展。
其特点主要体现在较高的频谱利用率、非人终端的交互、较高的通信系统性能、较低的运营成本与能耗以及考量性能的关键指标等。
其核心支撑技术,如FTN网络、MassiveMIMO[3]、高频段通信、小蜂窝、云无线接入网和光载无线(ROF)技术等网络接入技术;
软件定义网络(SDN)、内容分发网络(CDN)等互联网技术和机器间通信(MTC)等物联网技术。
2013年2月,由工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立了IMT-2020(5G)推进组,其组织架构基于原IMT-Advanced推进组,成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构,是聚合中国产学研用等各方力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台[4]。
目前,各大主流通信厂商和研究机构都纷纷提出了5G的技术方案,而这些方案的技术思路和侧重点都各不相同。
本文将在第二部分讨论目前4G的特点、具体核心技术以及应用。
在第三部分提出5G网络的概念和特点、具体方案技术以及发展前景。
在第四部分做出总结。
第2章4G移动通信关键技术及其展望
1)4G移动通信的特点
1.1通信速度较快
4G通信给人印象最深刻的特征应该是它具有比3G快得多的无线通信速度。
3G数据传输速率可达到2Mbps,而4G数据传输速率可以达到10Mbps至20Mbps,甚至最高可以达到每秒高达100Mbps速度传输无线信息。
在需要传送海量数据时,4G通信可以迅速完成,不需要用户长时间等待[5]。
1.2网络频谱较宽
为了取得更快的数据传输速度,通信营运商必须在3G通信网络的基础上,进行大幅度的改进通信网络的带宽。
未来的每个4G信道将占有100MHz的频谱,比3G的带宽增加20倍。
1.3通信方式灵活
4G移动通信手机在外形设计方面也具有较大突破,任何物品都有可能是4G移动通信终端,因此目前仍然没有对4G移动通信手机制定统一名称。
4G移动通信环境下,人们可以随时随地进行网络通信,实现双向网络的信息传递、影像交互、联机游戏等。
另外,4G移动通信技术的兼容性更好,不但具备全球漫游、接口开放的功能,还具有向下兼容各网络实现互联的特点[6]。
1.4智能化程度高
4G移动通信技术具有较强的智能性,4G移动通信技术的智能化应用不仅体现在功能操作和外观设计方面,4G移动通信技术还可以实现目前很多无法设想的功能。
例如,4G移动通信手机能够根据用户定位信息提醒用户处理相关事宜,或者在此位置避免做出哪些行为等,同时,4G移动通信手机可以当做掌中笔记本电脑使用,来观看直播体育赛事等节目。
1.5实现高质量的多媒体通信
4G通信能满足高速数据和高分辨率多媒体服务的需要,它包括语音$数据$影像等大量信息透过宽频的信道传送出去,是一种真正意义上的。
多媒体移动通信。
3D视频技术也将会应用到4G通信上,可以在4G手机上看立体的视频。
2)4G移动通信的关键技术
2.1正交频分复用(OFDM)技术
第四代移动通信系统主要是以OFDM核心技术。
OFDM技术实际上是多载波调制的一种。
其关键技术包括有:
信道估计、信道编码交织、信道分配、多天线和同步等[7]。
其主要思想是:
将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制在每个子信道上进行传输。
正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰。
每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰。
而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。
另外采用自适应调制机制使变化调制方式、信道和加载算法,提高信息传送的速率。
由此看出,OFDM技术具有频谱利用率高的优点,其频谱效率比串行系统高近一倍;
适合高速数据传输,信息速率更高;
具有较强的抗衰弱能力,适应能力强。
2.2多输入多输出技术(MIMO)
MIMO技术主要是指对基站与移动终端,其设有多个天线实现工作,有利于4G系统空间在复用与分集上提升增益。
其中,在空间复用层面上,一般是对接收端与发射端进行多副天线的利用,从而通过在空间传播上的多径分量实现对同一频带进行使用时,可以利用到多个子信道对信号进行传输发射,提升容量的使用效率。
而在空间分集层面上,主要有发射形式与接收形式[8]。
MIMO技术在成熟应用后,在频谱的利用上效率较高。
而在空间分集上,其可以有效完善无线信道的使用性能,提升无线系统中的容量与覆盖面积。
该技术最大的特点是:
可以大大提高频谱的利用率,提高频谱的运行效率,抗窄带干扰能力和抗多径干扰能力不断的增强;
能够使各个子载波的联合编码抗拒衰落;
同时,使用快速的算法,借助于IFFT以及FFT实现调制和解调,这样最终来实现DSP技术应用。
但是这种技术的缺点是:
由于在信号的传输中,可能会增加自适应调制技术的难度,这样就使得系统的效率会降低。
一个基于MINOOFDM系统的发送接收方案结构图如图所示:
图2MINOOFDM系统发送方案框图
图3MINOOFDM系统接收方案框图
2.3智能天线技术
4G移动通信的智能天线技术选择的是SDMA技术(空时多址技术),利用不同信号在传输信道上传输方向不同的差异性,将频率相同、时隙相同和码道相同的传输信号进行区分,改变传输信号的覆盖范围,以主波束与用户相对,零陷与干扰信号方向相对,实现环境变化的自动监测,为终端用户提供优质的传输信号,真正消除和抑制干扰噪声信号。
通过智能天线技术可以有效改善信号质量,增加数据传输容量。
2.4软件无线电技术
软件无线电技术,主要是指通过现代化的管理软件实现对传统无线通信的有效控制管理。
而软件无线电技术在应用的过程中,由于对硬件、软件以及无线技术进行有效的有机结合,因此其系统功能较多且灵活。
主要以硬件为构建平台,利用计算机软件编程技术对无线电台中相关功能进行体现。
而其功能软件化后,由于现代通信的需求,对于以往在功能选择上较为单一与灵活性较低的硬件电路一定要进行改良,特别是要降低对模拟信号的利用,在天线上实现数字化处理。
它可以大大提高频谱的利用率,提高频谱的运行效率,抗窄带干扰能力和抗多径干扰能力不断的增强;
还有就是使用一种快速的算法,借助于IFFT以及FFT实现调制和解调,这样最终来实现DSP技术应用。
另外,对于结构选择,软件无线电技术主要利用到标准化与性能较高的开放结构,为往后硬件模块的有效升级与扩展工作提高空间。
2.5多用户检测技术
4G移动通信系统用户终端和信号基站都需要利用多用户检测技术来提高移动通信系统容量。
多用户检测技术的思想理念是:
将同一时间内占用传输信道的全部用户的信号均作为有用信号,不再将其作为噪声干扰进行处理,利用各种信息技术对有用信号进行处理,实现对多用户信号的联合检测。
多用户信号检测技术是基于传统信号检测技术之上实现的,利用造成噪声干扰的用户信号实施检测,以此降低移动通信系统对于功率控制准确度的要求,有效利用传输信道的信息资源,扩充系统数据容量。
3)4G移动通信的现状分析
4G移动通信技术作为目前主流的移动通信技术,必然成为影响人们生活的又一重大变革。
在很多关键技术的突破,使得4G移动通信更进一步地渗透到我们的生活中,并且在军事中的应用也很广泛(如LET-A宽带移动通信模型)[15]。
民用4G技术已相对完善,目前,全球移动通信用户数量已经超过了45亿人次,占全球总人口数量的70%,移动通信技术的发展实现了人与人之间的沟通互联,4G移动通信技术将可以实现人与互联网、移动终端的互联。
随着3G移动通信技术的发展,智能手机和平板电脑的产生,这些智能化终端设备基本已经满足了用户的网络需求,4G移动通信技术的应用将彻底改变人们现有的上网模式,集可视化、多媒体化和数字化于一体,通过高速的数据传输效率转变人与人之间、人与网络之间的联通关系,将真正步入高速无线互联网时代。
第3章5G移动通信关键技术及其展望
1)5G移动通信的特点
5G作为最新的移动通信网络技术,其传输速度预计可达到几十GB/s,整部超高画质电影在5G网络通信中可在1s之内下载完成。
目前5G网络已经成功在28GHz波段下将传输速度达到1Gbps,而通常情况下4G的传输速率只有75Mbps,下行链路速度为100mbps,上行链路速度为30mbps,并且它只具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力。
这就意味着在5G网络中可以利用智能终端分享3D电影和游戏,享受超高画质,这对于4G网络通讯技术来说几乎是不可能完成的任务[9]。
在无线接入能力方面,5G移动通信系统的指标将是第五代移动互联网接入技术的代表。
业内专家普遍认为5G系统的需求及关键技术性能指标主要包括6个方面。
采用。
5G之花[10]的形式表示。
如图所示。
6枚花瓣分别介绍如下。
∙用户无线接入速率:
100Mbit/s~1Gbit/s
∙无线接入峰值速率:
数十Gbit/s
∙设备连接密度:
在体育馆、露天集会等接入设备众多的场合,达到每平方公里连接设备数目达100万个。
∙端到端传输时延:
毫秒级。
∙数据流量密度:
在室内热点覆盖场景,达到每平方公里数十Tbit/s。
∙用户移动性:
保证在速度为500km/h的高速移动时,用户能够正常通信。
在图中,也标出了4G的相关技术指标,可以从比较中领略5G技术指标的进步。
图45G之花:
系统关键指标
2)5G移动通信的关键技术
2.1MassiveMIMO
MassiveMIMO基于传统的MIMO技术,基站配置的天线数目达到传统天线数目的100倍。
其多天线的特点不仅降低了发送功率,还减缓了干扰,让网络的容量增加了10倍,同时,百倍地提高了网络的能量效率。
除此之外,该技术还有低成本、低时延、简化、MAC层、高健壮性等特点[9]。
MassiveMIMO技术的提出可以很好地提高网络的有效性和可靠性。
但是,如果要在实际应用上开发出更多潜能,还有很多问题需要考虑,如计算的复杂性、分布式处理算法的实现、天线单元的同步问题等。
在复杂的实际无线环境中,实现具备实用性的MassiveMIMO技术仍然是目前较大的挑战。
所以,无论是在科研理论方面,还是在商用方面,MassiveMIMO都还有很长一段路要走。
但其潜能很大、前景需拭目以待。
2.2小蜂窝技术
世界移动通信的现状是数百万蜂窝覆盖着50亿个移动用户。
这样的宏蜂窝基站覆盖半径约为2km。
理论上可以证明,蜂窝小型化是提高系统容量、减少系统能耗的重要方法。
20年前,人们把小蜂窝统称为微蜂窝现在,参照毫、微、纳、皮、飞的进位表示法,把蜂窝半径为200m的蜂窝称为皮蜂窝,半径为10m的蜂窝称为飞蜂窝,以便精细地设计第五代移动互联网[10]。
皮蜂窝适合于户外,飞蜂窝适合于室内。
宏蜂窝基站的传输功率约为40W,而皮蜂窝和飞蜂窝分别只需:
2W和0.1W。
同时,小蜂窝的总体硬件成本可以大大低于宏蜂窝,而且更适合实现室内等热点区域的覆盖。
移动通信国际标准化组织第三代移动通信伙伴计划(3GPP)也对小蜂窝技术进行了标准化研究。
应当指出,小蜂窝技术在带来容量提升的过程中也带来了新的问题,例如小区增多将引起干扰源的增加,小蜂窝的高密度混合部署也会使用户的切换更加频繁等,这使得R&
系统的组网技术面临挑战。
2.3机器间通信技术(MTC)
机器间通信技术不仅包含发展完善的人与人之间的通信,还包含机器与机器、机器与人之间的通信方式。
随着物联网、智慧城市的大力发展,智能家居、医疗卫生、车载通信等设备之间的通信业务量将急剧膨胀,移动互联网的优点使其成为承载MTC的最佳选择,但其业务特质又不同于传统的无线业务,大量并发小数据传输为移动互联网的无线网络设计带来新的难题,需要在网络部署、资源管理、信息传输3方面开展面向MTC应用的超密集无线网络研究。
2.4高频传输技术
由于各类无线通信和无线应用的快速发展,各国的低频段频谱资源都已经十分紧张,很难找到适合5G技术应用的新频段。
同时,为了保证5G技术所需要的更大传输带宽,各种射频器件也势必要调整到更好的工作频率上。
因此,未来5G技术须向高频段扩展,尤其是毫米波频段,该频段频谱资源丰富,具有连续的大带宽,可以满足短距离高速传输的需求。
目前,各大通信企业和研究机构都在积极进行相关研究工作。
例如,韩国三星公司已经对28GHz和37GHz频段的信道传播特性进行了信道测量,并研发了基于28GHz频段的系统设备样机,经过实地验证,样机已经达到了1Gbit/s的下载速率,证明了高频段在移动通信特定场景下应用的可行性[11]。
但是,由于电磁传播的特性,高频传输目前还面临很多实际的困难。
由于空气的吸收作用,频段越高的电磁波路径损耗越大。
例如,60GHz的电磁波路径损耗要比5GHz的电子波高出20多个dB。
同时,高频段传输以直射路径为主,绕射能力较差,当基站与用户间的直视径受到阻挡,传输性能将显著下降。
另外,高频段器件的技术难度较大,相关工艺还不成熟,因此,高频段相关器件较少且价格较贵,给高频段通信带来很大的技术挑战。
3)5G移动通信的未来展望
5G系统面对不断增长的需求,不仅要创新,还要有极强的兼容性。
根据5G技术的发展走向,未来的5G技术应该可以向下兼容所有的通信协议,并且在现有接入技术的基础上,集成多种新型接入技术,形成真正的无缝融合网络。
因此,在5G时代,全球将有望共用一个标准。
针对未来复杂网络架构的运营维护,这种统一的标准无疑是锦上添花。
而根据5G系统的演进和技术的创新趋势,将会促使它逐渐走向智能化和虚拟化,从而带给公众一个更加人性化和方便的高速通信时代。
在未来,5G技术必将成为各大通信设备厂商和运营商的核心竞争力,但目前仍处于讨论阶段,相关技术、业务场景和演进路线还存在着诸多不确定的因素,因此,对5G技术的提前研究和跟踪将成为我国提升产业影响力,占领技术和标准制高点的重要契机。
第4章结语
本文首先分析了4G通信系统的特点、关键技术和发展现状,然后根据未来的要求,总结了5G通信系统的特点,对5G候选技术和网络架构进行了总结,最后预估了5G的发展前景。
通信技术只有不断地突破瓶颈,才能向更好的方向发展,4G在发展过程中面临的机遇和挑战都会为5G的发展奠定良好的基础,总体来看,5G的未来机遇大于挑战,具有巨大的发展前景。
参考文献
[1]肖亚楠,滕颖蕾,宋梅.从4G通信技术发展看5G[J].互联网天地.2014(10).
[2]卓业映,陈建民,王锐.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国新通信.2015(08).
[3]YifeiYuan,XiaowuZhao.5G:
Vision,ScenariosandEnablingTechnologies[J].ZTECommunications.2015(01).
[4]王景尧,白岩,孟祥娇,崔雪然.5G无线通信技术发展跟踪与分析[J].现代电信科技.2014(12).
[5]黄静,朱欣远.4G移动通信关键技术及其展望探究[J].中国新通信.2014(03).
[6]姚志刚.4G移动通信关键技术的应用及发展前景[J].中国新通信.2015(08).
[7]孔丽南,刘云松.4G概念移动通信关键技术浅析[J].黑龙江科技信息.2011(19).
[8]王丽.分析4G移动通信核心技术.中国管理信息化[J].2015(05).
[9]熊必成.5G网络通信技术应用的前瞻性思考[J].信息通信.2014(11).
[10]林金桐,许晓东.第五代移动互联网[J].电信科学.2015(05).
[11]王景尧,白岩,孟祥娇,崔雪然.5G无线通信技术发展跟踪与分析[J].现代电信科技
.2014(12).
[12]翟冠楠,李昭勇.5G无线通信技术概念及相关应用[J].电信网技术.2013(09).
[13]姜大洁,何丽峰,刘宇超,谢芳,杨宁,胡臻平.5G:
趋势、挑战和愿景[J].电信网技术.2013(09).
[14]胡兴军.4G移动通信关键技术及特征[J].电信快报.2007(05).
[15]郑向阳.4G移动通信技术及其军事应用研究[J].中国新通信.2015(10)
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