5G关键技术综述

时间：2024-04-25

张冬梅

摘要：5G是最新一代移动通信系统技术，目前已基本完成标准化和关键技术研究。本文简介了5G系统架构，主要应用场景，重点对5G系统采用的关键技术进行介绍，最后展望了5G网络未来的发展方向。

关键词：5G；架构；大规模多天线；全双工；编码；多址技术

一、引言

20世纪70年代以来，移动通信从第一代的模拟语音通信发展到当前可以提供高质量移动宽带多媒体服务，终端从k比特每秒上升到现在的G比特每秒，用户体验不断提高。网络流量不断提升，新的无线技术也不断地应用到移动通信系统中去。随着人们对通信的需求不断增长，现有的技术也逐渐无法满足未来通信的需求。与前四代技术相比，第五代移动通信技术提供的业务种类和服务质量更加丰富。5G要面对多样化场景的差异化性能需求，这就需要引进多种技术来满足不同的通信场景。国际电信联盟（ITU）是5G标准研制组织，其将5G命名为IMT-2020。ITU定义了5G主要应用场景，包括移动宽带场景，大规模机器通信场景和高可靠低时延通信场景。

二、 5G网络架构

5G网络将融合多类现有或未来的无线接入传输技术和功能网络，例如传统的蜂窝移动网络、大规模多天线网络，认知无线电网络，无线局域网，无线传感网，小基站，可见光通信和设备直连通信等等，通过运营商统一的核心网络进行管控，以提供超高速率和超低时延的用户体验和多场景的一致无缝服务。

5G网络架构一方面引入了软件定义网络SDN和网络功能虚拟化NFV等技术，实现控制功能和转发功能的分离，以及网元功能和物理实体的解耦，从而实现多类网络资源的实时感知与调配，以及网络连接和网络功能的按序提供和适配。另一方面，进一步增强接入网和核心网的功能，接入网提供多种空口技术，支持多连接、自组织等方式复杂的网络拓扑，核心网进一步下沉转发平面、业务存储和计算能力，更高效实现对差异化业务的按序编排。

在上述技术的支撑下，5G网络架构课分为控制面，接入面和转发面。控制面通过网络功能重构，实现集中控制功能和无线资源的全局调度；接入面包含多类基站（例如宏基站，微基站，微微基站，家庭基站等）和无线接入设备，用于实现快速灵活的无线接入协同控制和提高资源利用率；转发面包含分布式网关并集成内容缓存和业务流加速等功能，在控制面的统一管控下实现数据转发侠侣和路由和灵活性的提升。

三、5G关键技术

1.大规模多天线技术（Massive MIMO）

现有的4G基站只有十几根天线，但5G基站可以支持上百根天线，这些天线可以通过多入多出（MIMO）技术形成大规模天线阵列。这就意味着基站可以同时从更多用户发送和接收信号，从而将移动网络的容量提升数十倍倍或更大。在5G的大规模天线场景下，宏蜂窝和微蜂窝两种小区共存，同构网络与有异构网络共存，还有室内场景和室外场景。按照经验，陆地移动通信系统70%的通信来自于室内，因此，大规模多天线传输信道课分为宏基站对室内、室外用户，微基站对室内、室外用户，微基站还可作为中继站中继宏基站信号，相应的信道也要考虑中继场景下宏基站和微基站之间传输，基站天线理论上可以趋于无限大。

大规模多天线技术能极大的提升空间分辨率，采用的波束成型技术能极大的减少干扰，当传统系统使用时域或频域为不同用户之间实现资源共享时，大规模多天线技术则导入了空间域的唯度，进一步提升频谱效益与能源效率。

大规模多天线技术还存在一系列挑战，例如导频污染。上行信道估计时，不同小区的用户使用同一套导频序列，或者非正交的导频序列时，导致基站侧进行信道估计的结果是被临站导频污染过的结果，最终接收性能并不随着天线数的增加而增加。实际场景中，设计和完成大规模多天线需要灵活的适应复杂的无线电环境，因此完成大规模多天线的搭建是很难的。

2.信道编码

低密度奇偶检验（LDPC）和极化码（Polar）是5G信道编码的关键候选码。5G网络要求将端到端的时延降低到4G网络的5倍以下，连接的设备数达到4G网络的10～100倍。为了满足5G的这些高性能要求，选择的编码方案不仅要有很好的抗干扰性能，还要有很高的能量利用率，低系统时延和高频谱利用率，能应用于多终端场景下。

LDPC有很好的抗干扰性能，唯一的缺点在于其复杂性较高，关于LDPC码的研究集中在寻找低复杂度的编码算法以及LDPC在实际通信系统中的应用。LDPC与4G系统中广泛应用的Turbo码相比，采用了一种稀疏矩阵的并行迭代算法，硬件实现上更为容易，更具有优势。Polar是一种基于信道极化现象的新型编码方案，它是目前唯一一种在理论上在二进制离散无记忆信道中的通信系统容量能够达到香农极限的编码方式。

3.全双工

全双工技术是指设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作，使得通信两端在上、下行可以在相同时间使用相同的频率，突破了现有的频分双工（FDD）和时分双工（TDD）模式，这是通信节点实现双向通信的关键之一，也是5G所需的高吞吐量和低延迟的关键技术。

在同一信道上同时接收和发送，这无疑大大提升了频谱效率。但是5G要使用这一颠覆性技术也面临着不小的挑战，据资料显示，主要有以下三大挑战：（1）电路板件设计，自干扰消除电路需满足宽频（大于100MHZ）和多MIMO（多于32天线）的条件，且要求尺寸小、功耗低以及成本不能太高。（2）物理层、MAC层的优化设计问题，比如编码、调制、同步、检测、侦听、冲突避免、ACK等，尤其是针对MIMO的物理层优化。（3）对全双工和半双工之间动态切换的控制面优化，以及对现有帧结构和控制信令的优化问题。

4.多址接入

多址接入是每一代移动通信技术的关键特征，5G除了支持传统的OFDMA技术外，还支持SCMA，NOMA，PDMA，MUSA等多种新型多址技术。新型多址技术的叠加传输，不仅可提高用户连接数，还可提高系统频谱效率，避免竞争计入，大幅降低时延。

非正交多址接入（NOMA）是基于功率域复用的新型多址技术方案，以增加接收端的复杂度微代价换取更高的频谱效率。包含2中关键技术。

稀疏编码多址接入（SCMA）是基于码域复用的多址技术，将OAM调制和签名传输过程融合，输入的比特流直接映射成一个从特定码本里选出的多维SCMA碼子，然后再以稀疏的方式传播到物理资源单元上。

图样分割多址接入技术（PDMA）是基于发送端和接收端联合设计的新型非正交多址接入技术。多用户共享接入（MUSA）是5G潜在的多址接入技术，但是它的实现具有一定的挑战性。

四、总结

目前，世界各国针对5G移动通信技术研究、标准化以及产品发展方面进行了大量投入，大量新技术的应用，极大的提升了5G系统性能。未来为了应对信息社会高速发展的趋势，5G还会在网络智能化，感知能力和自调整能力方面进行研究，绿色能源也是5G未来发展的重要方向。

参考文献：

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