5G发展及关键技术综述

唐子行　邹丽萍　丁晓桐

摘要：为了更好地满足多样化的通信业务需求，第五代移动通信系统应运而出。本文首先介绍了移动通信的发展以及技术演进，其次对5G中所应用的关键技术——软定义网络、大规模MIMO与超密集组网进行了综合性阐述。

关键词：移动通信5G SDN大规模MIMO超密集组网

引言

在瞬息万变的信息时代背景下，万物互联概念的提出、数据业务类型的多样化等，对通信网络的可靠性、有效性有了更高的要求。而现有移动通信系统难以满足这样的需求，因此需研发具有更高通信效率以及更大通信容量的5G移动通信系统。

1移动通信系统演进

20世纪80年代大哥大的出现标志了第一代移动通信技术的诞生，1G通信以模拟技术为基础，仅供语音信号的传输，且通信容量有限，通信设备昂贵笨重。相较于第一代，2G GSM系统增加了短信业务，信息传输速率为9.6-14.4kbps。3G系统让无线通信和互联网数据传输完美结合在一起，速率一般在几百kbps以上，可以同时传输语音和数据信息实现实时通信，为用户提供了除短信、语音业务外的多媒体业务，并能够在全球范围内更好地实现无限漫游。第四代移动通信技术，相比之前的技术而言，4G具有超高数据传输速度，下载速度达到lOOMbps，上传的速度可以到20Mbps，可以满足大部分用户对于无线联网服务的要求。

移动通信系统业务的增加性能的提高都是基于其标准的改变，具體有：

（1）多址技术

1G系统采用频分多址（FDMA）的模拟调制方式，将介于300Hz到3400Hz的语音信号调制到高频的载波频率上;2G系统以后均采用数字调制的方式，采用时分多址（TDMA）以及码分多址（CDMA）技术;3G采用WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大主流无线接口标准，其中TD-SCDMA为中国自主研发的标准;4G可分为FD-LTE和FDD-LTE两大类别，改进并增强了3G空中接入技术，采用非正交多址（OFDMA）大幅度提高了频谱利用效率。

（2）信道编码

在GSM系统中，移动通信系统采用卷积码与交织，在保证了一定信息传输速率的前提下，服务质量（QoS）得到很好的改善。3G系统相较于2G系统可以提供更加多样化的业务，对信道编码提出更高要求，因此在3G系统中，采用卷积码用于语音和低速率数据的纠错编码，而把Tu rbo码和交织技术作为高数据的信道编码方案。4G系统考虑到上下行链路以及发信设备的差别，上行采用分组Turbo码，下行采用LDPC编码方式。

另外，从3G系统便采用了扩频技术，提高了信号的抗干扰能力，极大改善了CDMA系统的性能。4G系统后出现的MIMO技术允许多个天线同时发送和接收多个空间流，并能够区分发往或来自不同空间方位的信号，提供空间复用增益及空间分集增益，提高了信道的容量以及可靠性。相较于前4代移动通信系统，5G移动系统具有高速度、泛在网、低功耗、低时延、万物互联5个典型特点。峰值速率在静止或低速状态下达到lOGbps，在高速移动（移速大于300km/h）或用户处于边缘时保证lGbps，特定场景下甚至可达20Gbps[3]。5G系统下的时延可降至Ims，为无人驾驶提供了更加可靠的发展条件。5G系统采用非正交多址接人（NOMA），再次有效提高了频谱利用效率。

2关键技术

2.1软定义网络（SDN）

相较于传统的基于硬件实现的移动网络，SDN具有逻辑集中控制、可编程性、灵活性高、网络自管理、低成本等特点。网络可编程性与通用应用程序编程接口加快了移动网络中的业务创新，操作员可以灵活地在网络操作系统上创新以及测试各种控制应用程序。与当今基于硬件的应用程序的部署方式相比，基于软件的应用程序部署方式更加快捷方便。

SDN将控制面与数据面相分离，并允许通过集中控制器控制网络，有利于移动网络的安全性管理以及引入新的基于SDN的安全机制。SDN架构中回程设备减少了控制面功能，PCRF、HSS、MME等网元可以在应用层以软定义方式实现，因此SDN交换机不需要具有高处理能力的硬件'仅需采用低成本交换机对数据进行低量处理。另外，基于流量的控制模型支持粒度流控制策略，且控制器可以基于网络行为动态地调整这些控制策略。

SDN与网络功能虚拟化（NFV）相适应，虚拟化网络设备可在需要时按需配置资源，并扩展资源以满足需求。

2.2大规模MIMO天线与3D-MIMO

为了满足5G移动网络中对更高频谱效率的需求。大规模MIMO技术被运用到5G基站中，预计有源天线数可达64或128个。通过在基站端配置大量天线来服务于多个用户，大规模MIMO技术能增加系统容量，提升能量效率和频谱效率。由随机矩阵理论分析可知，随着基站天线数量的增加，系统将不再受非相干噪声与快衰落的影响。

大规模天线系统中的天线数是与用户数量呈正比的，而随着天线数量的增加，如果天线依然仅放置在一条水平线上，集成天线板的面积将会相当大。因此考虑依照二维网格的方式放置，这种天线系统又被称为3D-MIMO。3D-MIMO技术不仅具备大规模发射天线的空间自由度，更重要的是其可以调整波束的水平与垂直方向，更强的波束赋性能力进一步提高了空间复用的复用率，同时有利于减小小区间干扰。

3D MIMO的一项核心技术即所谓的有源天线系统（AAS）。AAS技术将射频元件（功率放大器和收发器屿天线元件集成在一起。以这种方式，可以电子控制每个天线元件的信号的相位和幅度，从而有助于更灵活和智能的波束赋形，增加系统容量和覆盖范围。

2.5超密集组网

目前针对超密集组网超密集组网的量化定义主要有两种：一种定义为网络中的小区数多于活跃用户数;另一种定义为该网络的密度大于[（l0）]°3（小区数/平方公里）。超密集组网基本思想即使接入站点尽可能接近用户端。

与传统组网方式相比，超密集组网系统容量更大，频谱利用率更高。同时，在超密集组网中，可以利用微小区对边缘、阴影地区实现无缝覆盖，改善用户体验。

另一方面，小区部署的密集化也通信系统带来了新的问题：

（1）干扰管理

由于小区的微小型化，无线密集网络中将存在大量同频小区，一个小区周围存在大量邻接小区，这给协调干扰管理带来挑战。目前有人提出采用多域（时域、频域、空间域）干扰管理解决这一问题。

（2）发现小小区

密集网络中大量小小区均位于用户附近，用户处在多个小小区的干扰范围内，使得小区检测难度提高。

（3）回传线路

广泛部署密集网络的瓶颈之一就是回程线路，随着密集网络中接人节点数量的增加，如何优化回程网络的问题也愈发突出，其中无线回程成为一种可行方案。

参考文献

[1]李建东，郭梯云，邬国扬.移动通信[M].第四版，西安：西安电子科技大学出版社，2006：220 226.

[2]李兆玉，何维，戴翠琴.移动通信[M].电子工业出版社，2017

[3] Liyanage M， Abro A B，Ylianttila M， et al. Opportunitiesand Challenges of Software-Defined Mobile Networks in NetworkSecurity[J].IEEE Security&Privacy， 2016， 14（4）：34-44.