5G移动通信系统及其关键技术研究

杨 薇 天津中德应用技术大学

5G移动通信系统及其关键技术研究

杨 薇 天津中德应用技术大学

5G 第五代通信系统；大规模分布式天线系统；超密集异构网络

1. 4G通信网络的现状

目前， 4G网络已在不同国家内被推广使用，涉及各个领域，但其具体开发的发展演变极其复杂，造成了4G网络在使用过程中的一些问题。

1.1 协议标准

世界通信制式较为混乱。 4G网络标准中的TD-LTE和FDD-LTE是无法兼容的，这种现状导致4G网络及相关的业务分为了两部分，会造成无法实现全球无缝漫游的不良的用户体验。

1.2 核心技术

4G通信系统核心IP技术在实时定位与快速无缝切换机制两方面尚未得到有效的技术支持。现有4G系统基站配置天线的数目较少，空间分辨率低，性能增益仍然有限。

1.3 传输容量

4G的通信系统容量具有局限性，大约为12.5MB/S的宽带速度，业务很大程度上受到了频率资源的限制，从而影响了移动终端设备的实际使用效果。

2.5G未来发展趋势

5G的核心理念是在4G基础上，使得无线移动通信的频谱效率和功率能够提升一个量级，从而解决移动通信的频谱和功率的有效性问题，整合4G协议标准比较混乱的现状。

为了适应未来不断增长的物联网业务的需求， 5G需要具备低成本、低能耗和安全可靠的特点。其网络承载能力将是4G的1000倍，峰值的传输速率达到10Gbit/s，端到端时延达到ms级，流量密度将提升1000倍。频谱利用率提升5至10倍，确保在500km/h的速度下保证用户体验。 5G组网的理念更加侧重于构建一个能够承载庞大的数据量并以此来提供多样化服务的网络社会。

3.5G的关键技术及进一步研究方向

为了满足未来的通信业务的需求，适应移动数据业务量密集化的趋势， 5G在无线传输技术和网络技术方面将引入新的技术，例如大规模的天线系统和高密度的无线网络系统。

3.1 大规模天线系统

大规模天线系统的基本特征是在基站的覆盖区域内，较原先的4G系统中的4/8根天线增加一个量级以上，配置数十根至数百根的天线。这些天线既可以以大规模的天线阵列的形式集中放置于小区内（大规模MIMO，Masssive MIMO），也可分散放置（大规模分 布 式MIMO， Large-scale Distributed MIMO）。

大规模MIMO和大规模分布式MIMO的目的是相同的，即通过显著增加基站侧配天线的数量，扩充无线空间的维度资源，以达到显著提升频谱效率和功率效率的目的。随着大规模天线技术的提出，随机矩阵理论被重新深入研究。由于在此系统中，用户数和天线数均为大规模增加，信道信息的获取就是系统实现的瓶颈之一，因此导频资源受限下的信息理论必须要考虑，同时，还需考虑信道估计对系统频谱效率的影响。其次，多小区多用户蜂窝移动通信系统容量的极限问题也不容回避。因为，系统级的容量是在多小区多用户容量分析的基础上，对整个蜂窝系统的容量评估，对系统设计具有重要的指导意义。

理想信道信息多天线系统的容量估计已日趋成熟，非理想信道信息将是未来间就多天线系统容量的一个重要方向。

3.2 超密集异构网络

5G移动通信系统的正式使用会带来原先无线传输技术的整合和改善。因此， 5G通信网会是一种新型的多种无线接入方式并存的通信系统，其中宏基站负责基础覆盖，高密度低功率节点（Small Cell）负责热点覆盖，站点部署密度将是现有密度的十倍以上，站点之间的距离可至10米以下，支持高达25000个用户/km2。组成这样的超密集网络（UDN ），可以有效提升单位面积的频谱效率，缩小小区的同时进一步缩短了用户的传输链路，提升了功率效率。

由于异构网络采用减少节点之间的距离来提高频谱和功率效率，这将导致一些新的问题。例如，在5G网络中可能存在同一种无线接入技术之间的同频干扰，不同无线接入技术之间由于共享频谱而带来的干扰；随着基站站点的增加，小区边界更多，更不规则，切换将变得更为频繁和复杂，从而影响移动性性能。为了解决相关干扰带来的性能损伤，可进一步研究实现多种无线接入技术以及多覆盖层次之间的共存的技术 。针对超密集网络场景发展，可研究新的切换算法。

4.结语

5G移动通信系统的整体架构是基于现有技术的一种演进，将现有的移动通信系统指标加以提升，并发展必要的无线接入技术，如大规模MIMO 和超密集网络等。本文对5G移动通信系统的若干关键技术进行了评述，并指出了可预见的问题及进一步的研究方向。随着科学研究的不断深入，预计在2020年投入商用时，可以实现“万物互联”的状态。

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为了满足未来对于高数据速率和移动性数据持续增长的需求，业内陆续开展了对于第5代移动通信系统的研究。本文主要论述了目前使用的4G通信网络的局限性，在此基础上发展的5G移动通信系统的优势、关键技术及进一步研究方向。