基于5G网络发展趋势及核心技术分析

摘 要：随着移动通信网络的广泛应用以及智能电话和平板电脑等新型移动设备的推出，产生了大量新的用于移动连接的应用程序，使网络流量呈指数级增长。为应对不远将来的挑战，今天的无线网络必须以各种方式向前发展。目前的无线技术，如第三代合作项目LTE技术，HSPA和WiFi等将纳入新的技术组件，以满足未来的需要。然而，可能存在某些情况不能随着现有技术的发展而得到充分解决的情况。推动全新的无线技术补充目前的技术是满足网络社会长期发展的需要。比如高速下行分组接入（HSPA）和长期演进（LTE）等最新的技术组成将为推动当前无线技术进步而启动。与此同时，辅助组件也极可能构成未来无线技术的补充技术。这些新技术组成部分具有不同存取光谱的方式、相当高的频率范围和大量天线配置的煽动，能够实现设备间的直接通信以及超高密度的部署。

关键词：无线技术；5G；蜂窝网络架构；无线网络的新兴技术

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）04-0068-03

Abstract：With the wide potential of mobile communication networks and the introduction of new mobile devices such as smart phones and tablet computers，a large number of new applications for mobile connections have been generated，thus increasing the network traffic exponentially. To meet future assumptions and future challenges，today’s wireless networks must move forward in various ways. The current wireless technology，such as the third generation cooperation project LTE technology，HSPA and WiFi，will be incorporated into the new technology components to meet future needs. However，there may be some cases that can not be fully resolved with the development of existing technologies. Promoting new wireless technology to supplement current technology is a long-term necessity to meet the needs of network society. For example，the latest technology composition of high-speed downlink packet access（HSPA）and long term evolution（LTE）will start as a driving force for the advancement of wireless technology. At the same time，auxiliary components are also likely to constitute complementary technologies for future wireless technology. These new technologies consist of different access spectra，a high frequency range，a large number of antenna configuration incitement，direct communication between devices and deployment of ultra high density.

Keywords：wireless technology；5G；cellular network architecture；wireless network emerging technologies

1 無线技术的发展

意大利发明家G.Marconi在电磁波的帮助下，以三点莫尔斯码的形式，沿着3公里的距离传达字母“s”，从而开启了最近无线通信的发展道路。无线通讯自成立以来，已成为当今社会的重要组成部分。自从卫星通信、电视和无线电传输向普及移动电话发展以来，无线通信已经改变了社会运行方式及人们的生活方式。以下是无线技术发展的概况。

第一代是在20世纪80年代初宣布的。它的数据速率为2.4kbps。主要用户有高级移动电话系统（AMPS）、北欧移动电话（NMT）和全入网通信系统（TACS）。它有许多缺点，比如容量不足、任意切换、低档语音联想以及缺乏安全性。

第二代是20世纪90年代后期引进的。第二代移动电话采用数字技术。如：全球移动通信系统（GSM），主要用于语音通信，其数据速率可达64kbps。由于无线电信号功率低，2G手机电池续航时间较长。它还提供短信服务和电子邮件等服务。最重要的技术是GSM，CDMA（code division multi-access），它通常将第二代蜂窝系统与一般分组无线电服务（GPRS）合并，其他设施通常不赋予2G或1G网络。

第三代于2000年底成立。它使传输速率达到2 mbps。第三代（3G）系统合并基于互联网协议（IP）的高速移动服务接入。除了传输速率外，在维护QoS方面有了非常大的改进。额外的便利设施，如全球漫游和语音质量的提高使3G成为了不起的一代。3G手机的主要缺点是它比大多数2G手机需要更多的功率且更昂贵。

4G一般称为3G和2G标准的后代。3gpp的目标是实现由2G网络到3G网络的平滑过渡，保证未来技术的后向兼容性，支持轻松建网及系统间的漫游和兼容，目前正在标准化长期演进（LTE），将作为即将推出的4G标准，具有全球范围内的微波接入（WiMAX）移动互操作性。4G系统通过提供一个基于IP的完整和可靠的解决方案来改进主流通信网络。将在每一处为用户提供语音、数据和多媒体等设施，而且与前几代相比，其数据率要高得多。使用4G网络的应用程序包括多媒体消息服务（mms）、数字视频广播（DVB）、视频聊天、高清电视内容和移动电视。

随着用户需求的指数倍增长，4G将很容易地被5G取代。5G是一种先进的接入技术，5G的想法基于当前的动态，一般认为5G蜂窝网络必须解决6个4G无法有效应对的挑战，即更大的容量、更高的数据率、更低的端到端延迟、大规模的设备连接、更低的成本和持续的经验提供质量。

2 5G蜂窝网络架构

考虑到5G网络在市场上的应用会使网络中的多种访问技术几乎处于停滞状态，因此需要进一步改进。像OFDM这样的现有技术至少在未来50年内都能发挥作用，无线设备也不需要从1G改为4G，或只能在基本网络中添加应用程序或进行改进，以满足用户需求。这将会促使包装供应商在4G网络商业化建立时就转向5G网络。为满足用户的需求，还需克服在5G系统中提出的挑战，需要彻底改变5G无线蜂窝架构的设计策略。根据研究人员的观察表明，大多数无线用户在室内停留的时间约占80%，在室外停留的时间约占20%。在目前的无线蜂窝结构中，移动用户进行内部或外部通信，位于单元中间的外部基站有助于通信。因此，内部用户要与外部基站通信，信号就必须穿透墙壁，这将带来非常高的渗透率损失，相应地，无线通信的频谱效率、数据速率和能源效率也将降低。为了克服这一难题，一种设计5G蜂窝架构的新想法或新技术出现了，这就需要区分外部和内部设置。使用这种技术，穿透建筑物的损失将略有减少。

为了建造大型的MIMO网络，首先，外部基站将安装大型天线阵列，其中一些天线阵列将分散在六边形电池周围，并通过光纤电缆与基站连接，并辅之以大规模的MIMO技术。外部的移动用户通常安装一定数量的天线单元，构建一个大型的虚拟天线阵列，与基站天线阵列一起形成虚拟的MIMO链路；其次，每座建筑都将安装大型外部天线阵列，借助视线组件与室外基站进行通信。建筑物内的无线接入点通过电缆与大型天线阵列连接，以便与室内用户通信。这将大大提高细胞系统的能源效率、细胞平均吞吐量、数据速率和光谱效率，但这要以增加基础设施成本为代价。

随着这种架构的引入，内部用户只需与内部无线接入点连接或通信，更大的天线阵列仍被安装在建筑物外面。对于室内通信，某些技术，如WiFi、小單元、超宽带、毫米波通信和可见光通信，对于数据率高的小型通信非常有用，但是像毫米波和可见光通信这样的技术正在利用更高的频率，而这些频率并不是传统的用于细胞通信的。将这些高频波用于外部和远距离应用并不是一个有效的想法，因为这些高频波不会有效地从致密的物质中渗透，并且很容易被雨滴、气体和植物驱散。不过，毫米波和可见光通信技术可以提高室内设备的传输数据率，因为它们产生了大量的带宽。随着新频谱的引入（这种新频谱并非传统上用于无线通信的）。还可以通过认知无线电（CR）网络提高当前无线电频谱的利用率来解决频谱短缺的问题。

因为5G的细胞结构是异构的，所以它必须包括宏细胞、微细胞、小细胞和继电器。一个移动小单元概念是5G无线蜂窝网络的一个组成部分，部分包括移动继电器和小单元概念。它被引入汽车和高速列车中，以培养高流动性的用户。根据用户的意见，移动小单元实现为一个普通基站，它的相关用户被观察到是基站的一个单一单元，这证明了上述将室内和室外设置分开的想法是可行的。移动小单元用具有高数据速率的服，大大减少了信令开销（一体化网络移动管理机制分析模型在网络中传输着各种信号）。因为5G无线蜂窝网络架构只包括两个逻辑层，即无线电网络和网络云。具有不同功能的、不同类型的组件共同构成了无线电网络。

3 5G无线网络的新兴技术

预计未来十年，移动和无线通信量将增加千倍，这将由预计到2020年连接云的500亿个连接设备驱动，所有这些设备都需要随时随地访问和共享数据。随着连接设备数量的迅速增加，将通过提高能力、提高能效、提高成本和提高频谱利用率来为处理日益增多的连接设备提供更好的可扩展性。

大量的MIMO是一种从目前的MIMO技术升级的技术。这个庞大的MIMO系统使用的天线阵列包含几百个天线，在同一时间内，这些天线频率槽为几十个用户终端服务。大量的MIMO依赖于空间多路复用，而这进一步依赖于基站拥有的信道状态信息，包括上行链路和下行链路。在传统的MIMO系统中，基站将先导波形发送到终端，在此基础上，终端对信道进行估计、量化并反馈到基站。由于以下两个原因，这个过程对于大规模的MIMO系统是不可行的，特别是在高流动性条件下。首先，基站的下行导频必须是正交的，随着天线数量的增多，对下行导频的时间、频率槽的要求增大。与传统的MIMO系统相比，如此庞大的MIMO系统现在需要大量类似的插槽；其次，由于基站天线的数量增加，每个终端的信道估计数也随之增加，而每个终端需要几百倍的上行插槽来反馈信道对基站的响应。一般解决这一问题的办法是采用时间划分双工（TDD）模式，并依赖上行和下行信道之间的互惠性。

MIMO技术依赖来自于基站所有天线的发射或接收更多的信号空间流，这能显著提高信道容量，而通过智能波束成型，将射频的能量集中在一个方向上，可以提高信号的覆盖范围，以下是一个巨大的MIMO系统的优点。

（1）大量的MIMO具有将辐射能量效率提高100倍的能力，同时增加10倍或更多的能力。

容量增加的积极原因是大规模MIMO系统中使用的空间多路复用技术。随着辐射能效率的提高，由于天线数量的增加，能量可以集中在空间的小区域。它基于波锋的相干叠加原理。在传送天线发出形状信号后，基站没有任何作用，因为它确认天线发出的所有波锋可能会在预定的终端位置建设性地增加，并在其他地方造成破坏。零强迫被用于抑制终端之间的剩余干扰，但代价是增加传输功率。

（2）在概念、方案和执行方面，大量的MIMO出现了变化。

大量的MIMO系统在昂贵的超线性50瓦放大器中使用数百个较便宜的放大器，因为早期的放大器的输出功率在毫瓦范围内，这比传统系统中通常使用的毫瓦范围要好得多。它与传统的阵列方案不同，因为它只使用一个小天线，这个天线由高功率放大器提供，但具有显著的影响。最显著的改进是移除了大量昂贵和巨大的物品，比如大型同轴电缆。在大规模的MIMO技术中使用大量的天线，使噪音、衰落和硬件缺陷得到平均，因为来自大量天线的信号在自由空间中组合在一起，它浓缩了每一个单放大器和无线电频率链的精度和线性限制，最重要的是它们的集体行动。

巨大的MIMO通道有很大的空间，几乎所有事项都可以在不干扰终端的情况下进行。精确的模块可以被放置在这个空间，使传输的波形满足首选的包络限制。能源效率的显著提高使MIMO系统在总输出功率上比现有技术低两步。这一点很重要，因为蜂窝基站消耗大量的电力，这是一个值得关注的领域。此外，如果使用较少电力的基站可以由太阳能或风能等可再生资源驱动，那么将基站部署到没有电力的地方是有益的。與此同时，电磁辐射将大大减少。

干扰民用无线系统是人们关注的主要领域，它会对网络安全构成严重威胁。由于带宽有限，不可能通过频率分配信息。在多天线的帮助下，MIMO提供了提高无线通信鲁棒性的方法。它提供了一个多余的自由度，可用于取消来自有意干扰的信号。如果大规模的MIMO系统使用联合信道估计和解码来代替上行信道估计，那么来自预定干扰器的问题将大大减少。

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作者简介：陈珍臻（1986-），女，汉族，广东惠州人，教师，计算机应用讲师，学士。研究方向：网络发展及核心技术。