《电子技术应用》

业务需求推动下的5G若干关键技术探讨

2016年电子技术应用第7期
许方敏,仇 超,赵成林
(北京邮电大学 信息与通信工程学院,北京100876)
摘要: 过去移动通信的更新换代都是以追求更高的数据速率为目标,并以多址接入技术为主要区别。而第五代移动通信由于受到移动互联网和物联网众多应用场景的驱动,对技术的需求千差万别,因此其技术创新来源更加丰富,针对不同的应用场景可以灵活采用不同的关键技术。本文试图阐述第五代移动通信中应用场景、技术需求和关键技术之间的关系,并简单介绍了其中一些物理层关键技术。
中图分类号: TN91
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.001
中文引用格式: 许方敏,仇超,赵成林. 业务需求推动下的5G若干关键技术探讨[J].电子技术应用,2016,42(7):5-7.
英文引用格式: Xu Fangmin,Qiu Chao,Zhao Chenglin. Study on service requirements driven 5G key technologies[J].Application of Electronic Technique,2016,42(7):5-7.

Study on service requirements driven 5G key technologies

Xu Fangmin,Qiu Chao,Zhao Chenglin
(College of Information and Communication Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)
Abstract: The replacement of previous mobile communication technology is based on the goal of higher data rate, and the main difference is the multiple access techniques. While the fifth generation mobile communication is driven by the various application scenarios of mobile Internet and Internet of Things. The application scenario has diverse performance requirements for the technology. Different key technologies may be utilized for dedicated application scenarios. This paper attempts to explain the relationship among application scenarios, technical requirements and key technologies in the fifth generation mobile communication, and gives a brief introduction for some of the physical layer key technologies.

0 引言

    移动通信是一个充满生机而又有无限发展可能的领域,从第一代模拟调制通信系统到第二代数字调制系统,从最初仅能支持少量的数据业务到今天实现了视频、音频、图片等多媒体数据业务的快速传输,移动通信技术正发生着深刻的变革。

    随着智能手机、平板电脑与强大的多媒体功能和应用程序的流行,移动互联网和物联网的迅猛发展已成为第五代移动通信技术(5G)发展的主要驱动力。本文将从应用场景技术需求关键技术三个方面对5G移动通信若干关键技术的现在与未来发展进行评述。

1 5G概述

    5G是面向下一代移动通信需求而发展的新一代移动通信系统,具备超高的频谱利用率和能量效率,以及成本低、安全可靠的特点。5G将使得信息通信突破时空限制,给用户带来前所未有的交互体验,极大地缩短人与物之间的连接,并快速地实现人与万物的互通互联。

2 5G应用场景

    在第三代和第四代移动通信中,主要聚焦于“移动宽带”这一应用场景,着重致力于给用户提供更高的系统容量和更快的接入速度。在5G时代,各种物联网应用将广泛普及,如智慧城市、智能电网、远程医疗、车载娱乐、智能运动,未来的5G网络需要支持虚拟现实、超清视频和移动游戏等服务,这类移动交互式应用对无线接入的带宽和通信延迟有着很高的需求。除此之外,在公共安全方面,包括应急语音通话、无人机远程监测、入侵监测、急救人员跟踪等场景,这些应用需要5G通信系统提供零延迟、高可靠的传输保证[1]

3 5G技术需求

    综合未来移动互联网和物联网各类场景和业务的需求,5G主要技术场景可以归纳为连接广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个场景。以上四个场景为5G系统提出了以下技术需求:

    (1)传输速率需求。传输速率提高10~100倍,用户体验速率达到0.1~1 Gb/s,用户峰值速率可达10 Gb/s。

    (2)时延需求。时延降低5~10倍,达到毫秒量级。

    (3)设备连接密度需求。设备连接密度提升10~100倍,达到600万个/平方公里。

    (4)流量密度需求。流量密度提升100~1 000倍,达到20 Tbps/km2以上。

    (5)移动性需求。移动性达到500 km/h以上,实现高铁环境下的良好用户体验。

4 5G关键技术

    每一代通信网络的发展都会伴随着关键技术的兴起,新的技术将会满足通信网络的应用需求和技术需求,并推动着网络继续向前发展。目前,5G网络关键技术仍处于研究阶段,究竟何种关键技术在未来能够被5G标准采用,仍是有待商榷的。但是,可以肯定的是,未来5G网络是一个兼容并包、灵活开放的系统。本文以应用场景和技术需求为出发点,将对其中一些物理层关键技术进行说明。其中,应用场景、技术需求和关键技术的关系如图1所示。

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4.1 毫米波通信

    通信技术的发展很大程度上依赖于大量可利用的频谱资源,然而目前的商业工作频段都集中在300 MHz~3 GHz,3~300 GHz(毫米波)频段的利用率较低,利用毫米波频段进行无线通信是解决微波频段频谱资源稀缺的有效方法之一。在设计毫米波通信系统时,由于大气的衰减,需要充分考虑电磁波在大气中的传播特征,毫米波的主要缺点是在大气层中传播时期频率选择性吸收比低频段的无线电波更为严重,因此毫米波更适用于应对小范围热点高吞吐量需求[2]

4.2 全双工通信技术

    全双工通信技术是指同时、同频进行双向通信的技术。由于在无线通信系统中,网络侧和终端侧存在固有的发射信号对接收信号的自干扰,现有的无线通信系统中,不能实现同时同频的双向通信,双向链路都是通过时间或频率进行区分的,对于TDD和FDD,这样理论上浪费了一半的无线资源,而全双工技术可以实现上行链路和下行链路同时利用相同的资源进行双向通信,理论上可以令资源利用率提升一倍,因此同时同频全双工技术成为5G研究的一个重要方向。不过它也同样面临着巨大的技术难题,就是在发送和接收信号时,由于功率差距非常大,会导致严重的自干扰,因此首要解决的是干扰消除问题。另外,还存在着邻小区同频干扰问题,全双工在多天线的环境下应用难度更大,需要深入研究[3]

4.3 大规模MIMO技术

    多天线技术是提高系统频谱效率和传输可靠性的有效手段,已经应用于多种无线通信系统中,如3G系统、LTE、LTE-A、WLAN等。传统的MIMO技术存在硬件复杂度增加、信息处理复杂度增加、能量消耗等问题,显然已经不能满足人们对超高速数据业务的需求。2010年贝尔实验提出了在基站侧采用大规模天线阵列技术代替现有的多天线技术,使得基站天线数量远大于其能够同时服务的单天线移动终端数目[4]

    与传统的MIMO技术相比,大规模MIMO有以下几点优势:天线数目的增加使得最大比发送预编码的性能接近最优,降低了实现的复杂度,大幅度提高了系统容量;空间分辨率显著增强,具有深度挖掘空间维度资源的能力,在不增加基站密度和带宽的条件下大幅度地提高频谱效率;有较低的发射功率消耗和成本;可以将波束集中在很窄的范围内,从而降低干扰。

4.4 非正交多址接入(NOMA)技术

    面对新一代无线网络的需求,传统的多址技术已经难以满足在系统吞吐量、用户速率体验方面的需求,在5G系统中采用新型的多址接入技术,即非正交多址接入。NOMA技术的基本思想是在发送端采用非正交发射,主动引入干扰信息,在接收端通过干扰消除检测接收机实现正确的解调。NOMA的信道传输采用正交频分复用或离散傅里叶变换正交频分复用技术,只是一个子频带上时域频域资源不再是只分配给一个用户,而是多个用户共享,以此来提高频谱效率和用户接入量[5]

4.5 极化编码技术

    香农在有噪声信道编码理论中指出,存在达到香农极限的码字,Erdal Arikan引入了信道极化理论,根据组合信道在码长足够大时发生的极化现象,提出了Polar编码方案[6],可在保证一定传输可靠性的基础上实现高传输速率,它是一种基于信道极化理论定义的线性分组码,作为线性分组码,Polar码与LDPC码类似,但它是唯一已证明的可在二进制离散无记忆信道上达到香农极限的信道编码方式,并有着较低复杂度的编译算法,仅为O(NlogN),其中N为码长[7],所以在信源编码、协议中继及干扰融合等通信领域中有着重要的前景,同样也是5G网络的一项突出的关键技术[8]

4.6 D2D通信

    在未来5G网络中,网络容量、频谱效率需求进一步提升,设备到设备通信(D2D)具有潜在的提升系统性能、增强用户体验、减轻基站压力、提高频谱利用率的前景[9]。D2D通信是一种基于蜂窝系统的近距离数据直接传输技术,D2D会话的数据直接在终端之间进行,不需要通过基站转发,而相关的控制信令仍由蜂窝网络负责。蜂窝网络引入D2D通信,可以减轻基站负担,降低端到端的传输时延,提升频谱效率,降低终端发射功率。

5 展望

    在移动互联网和物联网的强劲推进下,通信产业能力快速提升,根据移动通信的发展规律来说,5G技术将在2018年进入测试阶段,2020年之后实现商用。今后的几年中将是确定5G网络中关键技术、使用频段、技术指标、发展方向的关键时期。现有的网络体系将会得到重新的整合,通信系统的频谱效率、能耗效率将会得到根本的提高,设备终端将更加智能,网络配置和维护的费用将会更低。演进、融合、创新将会成为5G移动通信系统发展的主要路线。

参考文献

[1] 赵国锋,陈婧,韩远兵,等.5G移动通信网络关键技术综述[J].重庆邮电大学学报:自然科学版,2015,27(4):441-452.

[2] 倪善金,赵军辉.5G无线通信网络物理层关键技术[J].电信科学,2015(12):40-45.

[3] 尤肖虎,潘志文,高西奇,等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学:信息科学,2014,44(5):551-563.

[4] 李忻,黄绣江,聂在平.MIMO无线传输技术综述[J].无线电工程,2006,36(8):42-47.

[5] 唐超,王茜竹.NOMA技术研究及其在5G场景中的应用分析[J].广东通信技术,2015,35(10):59-64.

[6] ARIKAN E.Channel polarization:a method for constructing capacity-achieving codes for symmetric binary-input memoryless channels[J].Information Theory,IEEE Transactions on,2009,55(7):3051-3073.

[7] 郑芝芳.基于Polar码的OFDM系统图像传输的应用研究[D].南京:南京邮电大学,2012.

[8] 樊婷婷,杨维,许昌龙.Polar码M-QAM系统编码码率及误比特率性能[J].华中科技大学学报(自然科学版),2015(12):24.

[9] 王俊义,巩志帅,符杰林,等.D2D通信技术综述[J].桂林电子科技大学学报,2014,34(2):114-119.

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