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1、-本科结课论文浅谈5G的发展和关键性技术-第 10 页中国地质大学长城学院 本 科 结 课 论 文题 目:浅谈5G的发展和关键性技术系 别信息工程学院学生姓名彭士豪专 业电子信息工程学 号044140102指导教师李建勋职 称正高级工程师2016年 11 月 20 日目录摘 要11、简要介绍21.1 频带利用率高21.2. 通信系统性能有很大提高21.3 设计理念先进21.4 能耗和运营成本降低21.5 主要的考量指标21.6 5G 移动通信技术的优点22、主要推动力22.1互联网的高速发展22.2经济和战略意义23、5G的演进路线33.1 LTE/LTE-Advanced33.2 WLAN3
2、3.3革命性技术34、5G关键性技术34.1无线传输技术3411 非正交多址接入技术34.1.2 滤波器组的多载波技术34.1.3 全双工技术44.2无线网络技术44.2.1 超密集异构网络44.2.2 自组织网络技术45、总结4致 谢4参考文献5摘 要2013年12月，我国工信部正式向三大运营商发放4G牌照，4G在中国正式走向商用。在4G技术刚刚走向商用，全球4G建设部署方兴未艾之时，5G的研发工作已经如火如荼。2013年2月，欧盟宣布，将拨款5000万欧元，加快5G移动技术的发展，计划到2020年推出成熟的标准。同年华为宣布将在2018年前投资6亿美元对5G的技术进行研发与创新，并预言在2
3、020年用户会享受到20Gbps的商用5G移动网络。2015年9月7日，美国移动运营商Verizon无线公司宣布，将从2016年开始试用5G网络，2017年在美国部分城市全面商用。从全球情况来看，4G快速发展已成为现实，5G的关键性技术的研究也在快速展开和成熟。关键词 5G、 性能特点、 发展动力、 全面商用、 关键性技术AbstractIn December 2013, our industry and issuing 4G licenses in China, 4G officially into the commercial formally to the three operators
4、 Ministry of Information. 4G technology is only in business, construction rising global deployment of 4G, 5G research work has been in full swing, in February 2013, the EU announced 50 million euros in funding to accelerate the development of 5G mobile technology, plans to launch a mature standard 2
5、020 . In the same year huawei announced it will invest $600 million by 2018 for 5 g technology research and development and innovation, and predicted that in 2020 users will enjoy the 20 GBPS commercial 5 g mobile network . On September 7, 2015, an American mobile operator Verizon wireless announced
6、 that will begin from 2016, the trial 5 g, 2017, comprehensive commercial cities in the United States. From the point of the global situation, 4 g rapid development has become a reality, 5 g key technology research also in the rapid development and mature.Key Words: 5G, performance, characteristics,
7、 the development power, comprehensive commercial and key technology1、简要介绍在进入主题之前，我觉得首先应该弄清楚一个问题：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。有什么需求呢？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。，与4G相比，除了速率、时延等传统的空口性能指标需要进一步提升外，还需要考虑用户体验速率、连接数密度
8、、频谱效率、能效以及成本等进一步体现5G系统的先进性的指标。为掌握先机、占据制高点，世界各国纷纷加快在5G技术、标准和产业化等方面的战略布局。1.1 频带利用率高通过精细化管理，实现高频段的频谱共享，从而提高频谱利用率，是缓解频谱供需矛盾的一剂良方，特别是解决频谱资源需求大户第五代移动通信系统（5G）的用频需求。但是在目前科技水平条件下，由于会受到高频段无线电波的穿透能力影响，高频段频谱资源的利用效率还是会受到某种程度的限制，但这不会影响光载无线组网、有线与无线宽带技术的融合等技术的普遍应用。1.2. 通信系统性能有很大提高传统的通信系统理念，是将信息编译码、点点之间的物理层面传输等技术作为核
9、心目标，而 5G 移动通信技术的不同之处在于，它将更加广泛的多点、多天线、多用户、多小区的相互协作、相互组网作为重点的研究突破点，以大幅度提高通信系统的性能。1.3 设计理念先进在通信业务中，占据主导地位的是室内通信业务的应用，5G 移动通信系统的优先设计目标定位在室内无线网络的覆盖性能及其业务支撑能力上，这将改变传统移动通信系统的设计理念。1.4 能耗和运营成本降低5G 无线网络的“软”配置设计，将是未来该技术的重要研究、探索方向，网络资源可以由运营商根据动态的业务流量变化而实时调整，这样，可以有效降低能耗和网络资源运营成本。1.5 主要的考量指标5G 通信网络技术的研究，将更为注重用户体验
10、，交互式游戏、3D、虚拟实现、传输延时、网络的平均吞吐速度和效率等指标将成为考量 5G 网络系统性能的关键指标。1.6 5G 移动通信技术的优点5G 移动通信技术，作为最新一代的移动通信技术，其应用必将大大提高频谱利用效率及其能效，在资源利用和传输速度效率方面较 4G 移动通信技术能提高至少一个等级，在系统安全、传输时延、用户体验、无线覆盖的性能等各个方面也将得到显著的提升。5G 移动通信技术结合其他无线通信技术后，将构成新一代高效、完美的移动信息网络，可以满足未来十年的移动信息网络的发展需求。不久的将来，5G 移动通信系统一定程度上还将具备较大的灵活性，实现自我调整、网络自感知等智能化功能，
11、可以有充分的准备应对未来移动网络信息社会的不可预测的飞速发展。2、主要推动力2.1互联网的高速发展移动互联网的高速发展是推动5G 移动通信技术发展的主要动力，移动互联网技术的发展和运用日益成熟，传统互联网企业都已经开始自觉的运用移动互联网技术和概念拓展新业务和方向。所以对后台服务及云计算提出较高的需求，尤其是在系统容量要求与传输质量要求上。5G 移动通信技术的发展目标主要定位在要密切衔接其他各种无线移动通信技术上，为快速发展的网络通信技术提供全方位和基础性的业务服务。2.2经济和战略意义5G网络商用后，将会在互联网、物联网等各个领域广泛应用，有望成为全新的信息技术基础设施。由于5G应用前景广泛
12、，5G“战略制高点”争夺战已风起云涌。5G技术蕴含着巨大的经济和战略利益，欧美日韩等国都希望能在技术标准上占据主导权，因此也都早早进行了相应的技术研发和布局。早在2012年11月，欧盟就已启动总投资达2700万欧元的大型科研项目METIS，研发5G技术。除了欧盟外，美国、韩国、日本也联合国内运营商和电信设备制造商，开展了相应的技术研究和产业布局。在5G这个没有硝烟的战场上，我国当然也不甘落后。早在2013年2月，工信部、发改委、科技部就联合成立IMT-2020（5G）推进组，对我国5G愿景与需求、5G频谱问题、5G关键技术、5G标准化等问题展开研究和布局。3、5G的演进路线目前，4G已经进入规
13、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。3.1 LTE/LTE-Advanced LTE/LTE-Advanced已经是事实上的全球统一的4G标准，由于LTE的大规模技术革新已经大量使用了近20年来学术界积累的先进信号处理技术，如OFDM，MIMO，自适应技术等，在继续完善技术应用的同时，LTE-Advanced的技术发展将更多地集中在RRM（无线资源管理）技术和网络层的优化方面。并将会在
14、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在不断加快。3.2 WLAN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。在强大的市场需求推动下，WLAN与移动通信系统逐渐走向全方位的融合，在终端方面，WLAN已成为智能手机的必备功能，智能手机支持手机流量和WLAN之间的自动切换。在网络方面，越来越多地厂商开始提供完整地“蜂窝+WLAN”解决方案，实现了WLAN和蜂窝资源共享，不仅方便网络部署、运营、管理和维护、也可节约大量开支。3.3革命
15、性技术此外，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。4、5G关键性技术为提升5G 在业务支撑能力,必需在网络技术方面和无线传输技术将有新突破。在无线网络技术方面, 将采用更智能、更灵活的网络架构和组网技术, 如采用异构超密集部署、统一的自组织网络 (SON)、多技术载波聚合等。在无线传输技术方面, 将引入能进一步挖掘频谱效率提升潜
16、力的技术，如先进的非正交多址接入技术、多天线技术、编码调制技术等; 5G 移动通信标志性的关键技术主要体现在超高效能的无线传输技术和高密度无线网络 (high den-sity wireless network)技术。 4.1无线传输技术411 非正交多址接入技术我们知道3G采用直接序列码分多址（Direct Sequence CDMA ，DS-CDMA）技术，手机接收端使用Rake接收器，由于其非正交特性，就得使用快速功率控制（Fast transmission power control ，TPC)来解决手机和小区之间的远-近问题。而4G网络则采用正交频分多址（OFDM）技术，OFDM不但
17、可以克服多径干扰问题，而且和MIMO技术配合，极大的提高了数据速率。由于多用户正交，手机和小区之间就不存在远-近问题，快速功率控制就被舍弃，而采用AMC（自适应编码）的方法来实现链路自适应。 NOMA希望实现的是，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。实现多用户在功率域的复用，需要在接收端加装一个SIC（持续干扰消除），通过这个干扰消除器，加上信道编码（如Turbo
18、code或低密度奇偶校验码（LDPC)等），就可以在接收端区分出不同用户的信号。OMA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。4.1.2 滤波器组的多载波技术在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
19、应，从而使符号间产生干扰。为了消除符号问干扰(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
20、扰非常小，不需要CP（循环前缀），较大的提高了频率效率。4.1.3 全双工技术全双工技术是未来有可能改变移动通信传统工作模式的革命性技术方向。在相同的时频资源上，全双工收发信机同时进行收发，接收机利用干扰消除技术，消除来自发送天线的自干扰信号，实现同时同频全双工通信。相对于传统的TDD/FDD双工模式，系统可用频谱资源提升1倍，更重要的是，全双工技术突破了FDD和TDD的频谱资源使用限制，可以更加灵活的使用频谱资源。多天线干扰消除以及全双工组网是全双工技术在实际系统中应用需要重要点研究的问题。4.2无线网络技术4.2.1 超密集异构网络立体分层网络（HetNet）是指，在宏蜂窝网络层中布放大量
21、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。在超密集异构网络中, 网络的密集化使得网络节点离终端更近, 带来了功率效率、频谱效率的提升, 大幅度提高了系统容量, 以及业务在各种接入技术和各覆盖层次间分担的灵活性。在 5G 网络中, 可能存在同一种无线接入技术之间同频部署的干扰、不同无线接入技术之间由于共享频谱的干扰、不同覆盖层次之间的干扰, 如何解决这些干扰带来的性能损伤, 实现多种无线接入技术、多覆盖层次之间的共存, 是一个需要深入研究的重要问题由于近邻节点传输损耗差别不大, 可能存在多个强度接近的干扰源, 导
22、致更严重的干扰, 使现有的面向单个干扰源的干扰协调算法不能直接适用于 5G 系统；由于不同业务和用户的 QoS (quality of service) 要求的不同, 不同业务在网络中的分担、各类节点之间的协同策略、网络选择、基于用户需求的系统能效最低的小区激活、节能配置策略是保证系统性能的关键问题。为了实现大规模的节点协作, 需要准确、有效地发现大量的相邻节点。虽然超密集异构网络展示了美好的前景, 由于节点之间距离的减少, 将导致一些与现有系统不同的问题。由于小区边界更多、更不规则, 导致更频繁、更为复杂的切换, 难以保证移动性性能, 因此, 需要针对超密集网络场景发展新的切换算法。由于用户
23、部署的大量节点的突然、随机的开启和关闭, 使得网络拓扑和干扰图样随机、大动态范围地动态变化, 各小站中的服务用户数量往往比较少,使得业务的空间和时间分布出现剧烈的动态变化, 因此, 需要研究适应这些动态变化的网络动态部署技术；站点的密集部署将需要庞大、复杂的回传网络, 如果采用有线回传网络, 会导致网络部署的困难和运营商成本的大幅度增加. 为了提高节点部署的灵活性, 降低部署成本, 利用和接入链路相同的频谱和技术进行无线回传传输, 是解决这个问题的一个重要方向. 无线回传方式中, 无线资源不仅为终端服务, 而且为节点提供中继服务, 使无线回传组网技术非常复杂, 因此, 无线回传组网关键技术,
24、包括组网方式、无线资源管理等是重要的研究内容。4.2.2 自组织网络技术5G将是融合、协同的多制式共存的异构网络。从技术上看, 将存在多层、多无线接入技术的共存,导致网络结构非常复杂, 各种无线接入技术内部和各种覆盖能力的网络节点之间的关系错综复杂, 网络的部署、运营、维护将成为一个极具挑战性的工作。为了降低网络部署、运营维护复杂度和成本, 提高网络运维质量, 未来 5G 网络应该能支持更智能的、统一的 SON 功能, 能统一实现多种无线接入技术、覆盖层次的联合自配置、自优化、自愈合。目前, 针对 LTE、LTE-A 以及 UMTS、WiFi 的 SON 技术发展已经比较完善, 逐渐开始在新部
25、署的网络中应用。但现有的 SON 技术都是面向各自网络, 从各自网络的角度出发进行独立的自部署和自配置、自优化和自愈合, 不能支持多网络之间的协同. 因此, 需要研究支持协同异构网络的 SON 技术, 如支持在异构网络中的基于无线回传的节点自配置技术, 异系统环境下的自优化技术, 如协同无线传输参数优化、协同移动性优化技术, 协同能效优化技术, 协同接纳控制优化技术等, 以及异系统下的协同网络故障检测和定位, 从而实现自愈合功能。5、总结移动互联网和物联网的蓬勃发展，对新一代移动通信系统提出了更高的要求，高容量、低时延、高智能和低能耗是未来5G的发展目标。在 2020 年后，5G 移动通信技术
26、将有望实现商用，能够满足未来移动互联网业务的发展需求，并带给移动互联网用户一种前所未有的全新体验，需要在无线传输、无线组网和新型网络架构多个层面实现创新目前。5G移动通信技术的科研尚处于起步阶段，并即将迈入发展的关键时期，其关键指标和技术需求都会在未来几年内陆续出台，届时将引领我国移动通信行业的新一轮变革。致 谢本论文是在李老师的悉心指导下完成的。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与人处事的道路。本论文从选题到完成，每一步都是在
27、李老师的指导下完成了，倾注了老师大量的心血。李老师在电子通讯方面具有丰富的实践经验，在学习过程中遇到许多比较低级的问题，老师却都极其耐心地予以解答，在此表示深深的谢意。参考文献1 5G SIG white paper2 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. 中国科学: 信息科学. 2014年 第44卷 第5期3 张筵，彭景乐.浅析5G移动通信技术及未来发展趋势4 潘志文等5G 移动通信发展趋势与若干关键技术 J中国科学信息技术2014， 11，（6）：155-1565 Hua Y B, Liang P, Ma Y M, et al. A method for broadband full-duplex MIMO radio. IEEE Signal Process Lett, 2012,19: 7937966 METIS. Mobile and wireless communications enablers for the 2020 information society. In: EU 7th Framework Programme Project, 7 魏克军 ，万屹 ，王志勤. 5G无线传输技术发展趋势. 2014-07-17