5G关键技术

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5G关键技术

1毫米波

毫米波顾名思义是波长范围10到1毫米的电磁波，频率范围30GHz到300GHz。由于足够量的可用带宽，较高的天线增益，毫米波技术可以支持超高速的传输率，且波束窄，灵活可控，可以连接大量设备。当手机处于4G小区覆盖边缘，信号较差，且有建筑物（房子）阻挡，此时就可以通过毫米波传输，绕过建筑物阻挡，实现高速传输。

高频段（毫米波） 在 5G 时代的多种无线接入技术叠加型移动通信网络中可以有两种应用场景：一是毫米波小基站，可增强告诉环境下移动通信的使用体验，在传统的多种无线接入技术叠加型网络中，宏基站与小基站均工作于低频段，这就带来了频繁切换的问题，用户体验差，为解决这一关键问题，在未来的叠加型网络中，宏基站工作于低频段并作为移动通信的控制平面、毫米波小基站工作于高频段并作为移动通信的用户数据平面。二是基于毫米波的移动通信回程，在采用毫米波信道作为移动通信的回程后，叠加型网络的组网就将具有很大的灵活性（注：相对于有线方式的移动通信回程。因为在未来的 5G 时代，小/微基站的数目将非常庞大，而且部署方式也将非常复杂），可以随时随地根据数据流量增长需求部署新的小基站，并可以在空闲时段或轻流量时段灵活、实时关闭某些小基站，从而可以收到节能降耗之效。到了 5G 时代，更多的物-物连接接入网络，HetNet 的密度将会增加。

2  ultra-dense Hetnets 超密度异构网络

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。为应对未来持续增长的数据业务需求，采用更加密集的小区部署将成为 5G提升网络总体性能的一种方法。通过在网络中引入更多的低功率节点可以实现热点增强、消除盲点、 改善网络覆盖、 提高系统容量的目的。但是，随着校区密度的增加，整个网络的拓扑也会变得更为复杂，会带来更加严重的干扰问题。因此，密集网络技术的一个主要难点就是要进行有效的干扰管理，提高网络干扰性能，特别是提高小区边缘用户的性能。密集小区技术也增强了网络的灵活性，可以针对用户的临时性需求和季节性需求快速部署新的小区。在这一技术背景下，未来网络架构将形成“宏蜂窝+长期微蜂窝+临时微蜂窝”的网络架构。这一结构将降低网络性能对于网络前期规划的依赖，为 5G 时代实现更加灵活自适应的网络提供保障。与此同时， 小区密度的增加也会带来网络容量和无线资源利用率的大幅度提升。

3 同时同频全双工（CCDF）

最近几年，同时同频全双工技术吸引了业界的注意力。同时同频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，使得通信双方在上、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，是通信节点实现双向通信的关键之一。利用该技术，在相同的频谱上，通信的收发双方同时发射和接收信号，与传统的 TDD和 FDD双工方式相比，从理论上可使空口频谱效率提高 1 倍。

全双工技术能够突破 FDD和 TDD 方式的频谱资源使用限制，使得频谱资源的使用更加灵活。然而，全双工技术需要具备极高的干扰消除能力，这对干扰消除技术提出了极大的挑战，同时还存在相邻小区同频干扰问题。在多天线及组网场景下，全双工技术的应用难度更大。

4 滤波组多载波技术（FBMC）

OFDM 是将载波分为正交子载波，但信号的拖尾较长，因此会带来一些问题，另外在 5G 系统中，由于支撑高数据速率的需要，将可能需要高达1 GHz的带宽.但在某些较低的频段，难以获得连续的宽带频谱资源，而在这些频段，某些无线传输系统，如电视系统中，存在一些未被使用的频谱资源（空白频谱）但是，这些空白频谱的位置可能是不连续的，并且可用的带宽也不一定相同，采用 OFDM 技术难以实现对这些可用频谱的使用。FBMC 基于滤波器组的多载波技术中，发送端通过合成滤波器组来实现多载波调制，接收端通过分析滤波器组来实现多载波解调。合成滤波器组和分析滤波器组由一组并行的成员滤波器构成，其中各个成员滤波器都是由原型滤波器经载波调制而得到的调制滤波器。与OFDM技术不同， FBMC 中，由于原型滤波器的冲击响应和频率响应可以根据需要进行设计，各载波之间不再必须是正交的。不需要插入循环前缀；能实现各子载波带宽设置、各子载波之间的交叠程度的灵活控制，从而可灵活控制相邻子载波之间的干扰，并且便于使用一些零散的频谱资源，较大的提高了频率效率。

5 大规模 MIMO 技术（3D/Massive MIMO）

多输入多输出技术（Multiple-InputMultiple-Output， MIMO）是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。

MIMO 技术已经广泛应用于WIFI、LTE 等。理论上，天线越多，频谱效率和传输可靠性就越高。具体而言，当前 LTE 基站的多天线只在水平方向排列，只能形成水平方向的波束，并且当天线数目较多时，水平排列会使得天线总尺寸过大从而导致安装困难。而 5G 的天线设计参考了军用相控阵雷达的思路，目标是更大地提升系统的空间自由度。基于这一思想的 LSAS 技术，通过在水平和垂直方向同时放置天线，增加了垂直方向的波束维度，并提高了不同用户间的隔离，如下图所示。同时有源天线技术的引入还将更好地提升天线性能， 降低天线耦合造成能耗损失，使LSAS 技术的商用化成为可能。大规模 MIMO 技术可以由一些并不昂贵的低功耗的天线组件来实现，为实现在高频段上进行移动通信提供了广阔的前景，它可以成倍提升无线频谱效率，增强网络覆盖和系统容量，帮助运营商最大限度利用已有站址和频谱资源。我们以一个20平方厘米的天线物理平面为例，如果这些天线以半波长的间距排列在一个个方格中，则：如果工作频段为 3.5GHz，就可部署 16 副天线；如工作频段为 10GHz，就可部署 169 根天线了。3D-MIMO 技术在原有的 MIMO 基础上增加了垂直维度，使得波束在空间上三维赋型，可避免了相互之间的干扰。配合大规模 MIMO，可实现多方向波束赋型。

6 多技术载波聚合（multi-technology carrier aggregation）

3GPP R12 已经提到这一技术标准。未来的网络是一个融合的网络，载波聚合技术不但要实现 LTE 内载波间的聚合，还要扩展到与 3G、WIFI 等网络的融合。多技术载波聚合技术与 HetNet 一起，终将实现万物之间的无缝连接。