5G通信关键技术探究

    刘晨+陈鹏

    

    

    

    摘 要：第五代通信技术（5G）不同于以前的通信技术，技术上有了很大的更新。无线传输技术方面采用了大规模天线技术，新的编码技术与信道建模。无线接入方面采取了新的针对不同场景的技术。网络技术上，5G采用了C-RAN与D2D技术。5G不仅仅是数据速度的提升，更是人类能力的延伸。文章预计在2020年5G将正式应用于大众生活。

    关键词：5G；无线传输技术；无线接入；网络技术

    1 通信系统概述

    自从20世纪70年代第一代通信系统产生，应用到今天，移动通信已经从模拟语音发展到了移动宽带服务技术，终端用户不断增加，数据速率不断提高。第五代通信技术5G与之前的通信业务相比通信速率更大、容量更大、端到端的时延变小。5G业务面向的是多场景业务，在多样化设备情况下也要求达到始终如一的用户体验质量。

    在2015年国际电信联盟发布了《IMT愿景—2020年之后IMT未来发展的框架和总体目标》，开启了5G研究。2017年进行5G技术方案候选征集[1]，如图1所示。2018年完成5G标准的研究与制定，2019年开始5G的产品研发。

    2 5G网络架构

    5G网络将多种网络进行融合，不仅包括原来的传统蜂窝网络、WiFi等网络，还进一步增加了相匹配的大规模多天线网络无线传感器网络，可见光通信网络，设备直连通信等。将这些网络通过一个统一的核心网络进行管控，以超快的速率和超低时延将各个网络直接进行信息交互实现多场景的通信与控制[2]。

    如图2所示，5G网络架构可以分成3个方面，分别是控制平面，接入平面和转发平面。其中，控制平面是集中控制和集中调度无线资源的平面。接入平面是实现多种无线设备和基站之间的快速灵活接入。转发平面是通过分布式网关和在控制平面的统一控制下实现数据转发和灵活性。

    3 5G关键技术

    3.1 无线传输技术

    3.1.1 大规模MIMO技术

    大规模MIMO技术深度利用空间维度资源使得网络中多个用户在同一时间和基站进行通信，同时具有降低干扰，提高功率的特点。针对5G系统MIMO技术会带来很多优势，包括空间分辨率的大大提升，集中特定方向和用户实现可靠传输，提升频谱利用率和能量利用率等。基于以上优点，MIMO技术被认为是5G系统中的一项关键技术。

    但是MIMO技术也有一些问题需要解决，如导频污染问题。当相邻小区采用同一套训练序列时，或者采用的导频非正交时，这两种情况下会产生导频污染。因此TDD时分双工和FDD频分双工在实际应用中有很大的区别。由于信道互惠策略，大规模天线技术应采用TDD系统。此外，MIMO系统成本较高，因此搭建大规模多天线系统还是很难的[3]。

    图2 5G网络构架

    3.1.2 信道建模

    信道建模通过对信道抽象性信息特征的提取和描述，用一系列相关参数表征无线信道物理特征，进而准确刻画信道的传播机制。信道建模是评估无线技术最主要的特征之一。针对5G，信道建模有了新的特征。

    （1）空间的双移动性和连续性。传统信道是一个移动端，另一个接收端是固定的，但是5G网络中融合了D2D通信，要求发射端和接收端都是移动的，而非固定。这就要求新的信道建模建立在空间的双移动性上。根据实际的需要要求空间建模具有连续性[4-5]。（2）大规模多天线阵列。要求球面波代替以前的平面波，由于天线阵列增加，衰落表现出非静态[6]。（3）高频段信道。未来短距离通信速率达到几G，十几G，大量毫米波段将是新的应用前景。毫米波段具有高敏感性、高散射、高路损的特点[7]。随着5G技术的深入研究，有不同的学术机构也对其进行了建模。

    3.1.3 信道编码

    相对比4G，5G采用了密度奇偶校验（LDPC）码和极化（polar）码作为信道编码。其中LDPC码用于数据信道编码方案，而polar码用于控制信道信息的编码方案。LDPC码最早是由Gallager在其博士论文中提出来的，是一种具有稀疏奇偶校验矩阵的分组码。早期由于硬件电路的限制，LDPC码一直没有受到重视，到现在硬件发展了，LDPC码具有很强的抗干扰性，比较复杂。现在LDPC码研究主要集中在寻找低复杂度的编码和译码方案。Polar碼是由Arikan提出的。Polar码是迄今为止人类发现的唯一能达到香农极限的编码方案，可以由简单的译码器和编码器实现，具有较低的复杂度[8]。

    3.1.4 全双工技术

    全双工技术也叫作同时同频全双工技术（CCFD）。全双工技术指移动终端可以在同一时段同一频率发送和接收信号。全双工技术多采用收发独立天线，当收发天线距离较近并且功率差别较大时，接收天线会产生强烈的自干扰。如何消除自干扰是全双工技术的核心问题。现有的消除自干扰的技术主要是针对物理层干扰消除的方法[9]。

    3.2 无线接入技术

    多址技术是每一代通信最具区别性的特征。5G除了支持传统的正交频分多址技术（OFDMA）以外还支持多种新型的多址技术，包括非正交多址接入（NOMA）、稀疏编码多址接入（SCMA）、图样分割多址接入（PDMA）、多用户共享接入（MUSA）等多种新型接入技术[10]。

    3.3 网络技术

    3.3.1 C-RAN

    由于5G网络拥有更大的系统容量、更少的时延和更多样化的场景，所以对接入网络有更高的要求。针对5G网络本文提出了一种基于云的无线网络架构C-RAN。C-RAN网络具有集中化处理、协作式无线电和实时云计算构架的特点，是一种绿色无线接入网构架。分布式的远端无线射频单元（RRH）形成一个个高容量的网络，远端射频单元通过低延时高带宽的光传输网络与集中式基带处理池（BBU pool）连接起来。C-RAN具有减少基站机房数量、提高功率、节约成本、减少延时的特点[11]。

    3.3.2 D2D

    通信设备之间直接通信（Device to Device Communication，D2D）指的是两个通信设备之间无需通过基站进行通信的新技术。由于降低时延，提升系统网络性能、减少基站压力的特性，D2D将会是未来网络发展的趋势。比如在车联网中，人车、车车、车路之间进行频繁的短程通信，通过D2D技术可以大大减少时延，提高通信质量[12]。

    4 结语

    本文介绍总结了5G的发展历程，通过无线传输技术、无线接入技术和网络技术3个方面介绍了5G的关键技术。未来5G网络将朝着高度灵活、智能、开放以及绿色节能的方向发展。5G标准草案将于2017年11月份敲定并通过。据研究人员预测，正式的5G标准将于2019年最终敲定并面世。预计在2020年，5G将成为主要的移动通信系统。