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1、 下一代移动通信关键技术及网络架构探讨 学院教师班级学生学号 2015年4月1 下一代移动通信简介1.1基本概念5G（5th-generation）是第五代移动通信技术的简称，但与4G、3G、2G不同的是，5G并不是独立的、全新的无线接入技术，而是对现有无线接入技术（包括2G、3G、4G和WiFi）的技术演进，以及一些新增的补充性无线接入技术集成后解决方案的总称。从某种程度上讲，5G将是一个真正意义上的融合网络。以融合和统一的标准，提供人与人、人与物以及物与物之间高速、安全和自由的联通。据预测，2020年的数据流量将比2010年增长1000倍。5G系统的研发将面向2020年移动通信的需求，包含
2、体系架构、无线组网、无线传输、新型天线与射频以及新频谱开发与利用等关键技术。2015年2月，国际电信联盟启动5G标准研究工作，并明确2015年中将完成IMT-2020国际标准前期研究，2016年将开展5G技术性能需求和评估方法研究，2017年底启动5G候选方案征集，2020年底完成标准制定。1.2 主要特点未来基站将更加小型化，可以安装在各种场景；具备更强大的功能，去除了传统的汇聚节点；网络架构进一步扁平化，未来网络架构是功能强大的基站叠加一个大服务器集群。对于普通用户来说，5G带来的最直观感受将是网速的极大提升。目前4G/LTE的峰值传输速率达到每秒100M，而5G的峰值速率将达到每秒10G
3、。打个比方来讲，用LTE网络下载一部电影可能会用1分钟，而用5G下载一部高画质（HD）电影只需1秒钟，也就是一眨眼的工夫。从专业角度讲，除了要满足超高速的传输需求外，5G还需满足超大带宽、超高容量、超密站点、超可靠性、随时随地可接入性等要求。因此，通信界普遍认为，5G是一个广带化、泛在化、智能化、融合化、绿色节能的网络。1.3技术指标标志性能力指标为“Gbps用户体验速率”，一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。大规模天线阵列是提升系统频谱效率的最重要技术手段之一，对满足5G系统容量和速率需求将起到重要的支撑作用；超密集组网通过增加基站部署密度，可实现
4、百倍量级的容量提升，是满足5G千倍容量增长需求的最主要手段之一；新型多址技术通过发送信号的叠加传输来提升系统的接入能力，可有效支撑5G网络千亿设备连接需求；全频谱接入技术通过有效利用各类频谱资源，可有效缓解5G网络对频谱资源的巨大需求；新型网络架构基于SDN、NFV和云计算等先进技术可实现以用户为中心的更灵活、智能、高效和开放的5G新型网络。2 5G关键技术 在移动通信的演进历程中，我国依次经历了“2G跟踪，3G突破，4G同步”的各个阶段。在5G时代，我国立志于占据技术制高点，全面发力5G相关工作。组织成立IMT-2020(5G)推进组，推动重大专项“新一代宽带无线移动通信网”向5G转变，启动
5、“5G系统前期研究开发”等，从5G业务、频率、无线传输与组网技术、评估测试验证技术、标准化及知识产权等各个方面，探究5G的发展愿景。在5G研发刚起步的情况下，如何建立一套全面的5G关键技术评估指标体系和评估方法，实现客观有效的第三方评估，服务技术与资源管理的发展需要，同样是当前5G技术发展所面临的重要问题。作为国家无线电管理技术机构，国家无线电监测中心(以下简称监测中心)正积极参与到5G相关的组织与研究项目中。目前，监测中心频谱工程实验室正在大力建设基于面向服务的架构(SOA)的开放式电磁兼容分析测试平台，实现大规模软件、硬件及高性能测试仪器仪表的集成与应用，将为无线电管理机构、科研院所及业界
6、相关单位等提供良好的无线电系统研究、开发与验证实验环境。面向5G关键技术评估工作，监测中心计划利用该平台搭建5G系统测试与验证环境，从而实现对5G各项关键技术客观高效的评估。为充分把握5G技术命脉，确保与时俱进，监测中心积极投入到5G关键技术的跟踪梳理与研究工作当中，为5G频率规划、监测以及关键技术评估测试验证等工作提前进行技术储备。下面对其中一些关键技术进行简要剖析和解读。 1.非正交多址接入技术 （Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）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
7、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
8、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 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。 NOMA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
9、节点回程链路。 2. FBMC（滤波组多载波技术）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I
10、SI，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扰非常小，不需要CP（循环前缀），较大的提高了频率效率。3. 毫米波（millimetre waves ，mmWaves)什么叫毫米波？频率30GHz到300GHz,波长范围10到1毫米。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。以下图为例：蓝色手机处于4G小区覆盖边缘，信号较差，且有建筑物（房子）阻挡，此
11、时，就可以通过毫米波传输，绕过建筑物阻挡，实现高速传输。同样，粉色手机同样可以使用毫米波实现与4G小区的连接，且不会产生干扰。当然，由于绿色手机距离4G小区较近，可以直接和4G小区连接。4. 大规模MIMO技术（3D /Massive MIMO）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。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
12、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。 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。5.认知无线电技术（Cognitive radio spectrum sensing techniques）认知无线电技术最大的特点就是能够动态的选择无线信道。在不产生干扰的前提下，手机通过不断感知频率，选择并使用可用的无线频谱。6.超宽带频谱信道容量与带宽和SNR成正比，为了满足5G网络Gpbs级的数据速率，需要更大的带
13、宽。频率越高，带宽就越大，信道容量也越高。因此，高频段连续带宽成为5G的必然选择。得益于一些有效提升频谱效率的技术（比如：大规模MIMO），即使是采用相对简单的调制技术（比如QPSK),也可以实现在1Ghz的超带宽上实现10Gpbs的传输速率。7. 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。到了5G时代，更多的物-物连接接入网络，HetNet的密度将会大大增加。8. 多技术载波聚合（multi-te
14、chnology carrier aggregation）如果没有记错，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。3 SDN5G网络新架构 随着智能手机的迅猛发展，移动互联网爆发式的发展已远远超出其最初设计者的想象，当前互联网流量迅猛增长、承载业务日益复杂以及社会地位越来越重要，使得诸如安全性、稳定性、可控性等问题越来越尖锐，现代的互联网架构已经无法满足未来网络发展的需求。传统的解决方案都是将越来越多的复杂功能加入到互联网
15、体系结构中，例如组播、防火墙、区分服务、流量工程、MPLS等。这使得路由器等交换设备越来越臃肿而且性能提升的空间越来越小，同时网络创新越来越封闭，网络发展越来越缓慢。OpenFlow是美国斯坦福大学于2007年提出的一种支持网络创新研究的新型网络交换模型SDN(Software Defined Networking)，该模型通过开放的流表支持用户对网络处理行为进行控制，从而为新型互联网体系结构研究提供新的实验途径。该模型实现了底层的网络功能的提取并将这些功能集成为虚拟服务。通过这种方法，网络控制层可以从网络的数据层分解出来，从而极大地简化了网络管理同时方便在网络中引入新的服务和配置。目前，尽管
16、学术界和工业界仍然没有对于SDN的明确定义，根据SDN标准体（Open Networking Foundation ONF）的规定， SDN应有可直接编程、开源和灵活三个特征。在SDN中，网络控制层在逻辑上是集中的并且已从数据层中分解出来。保持全网视图的软定义SDN控制器是网络的大脑。SDN通过基于标准的和厂商中立的开源项目简化了网络设计和操作，更进一步，通过动态自主的SDN编程，网络的运行可以随时动态的配置、管理和优化以及自适应来匹配不断变化的需求。将SDN运用于移动通信网络可以简化运营商对网络的管理并支持5G中成指数级增长的流量。基于开源APIs和网络功能虚拟化接口，SDN可以将服务从底层的物理基础设施中分离出来，以此推动一个更加开放的无线生态系统。类似于无线SDN网络中的可编程切换，可编程基站和可编程网关将在SDN架构的蜂窝网中初露锋芒，同时，更多的网络拓展功能比如用户网络属性的可视化和空中接口的灵活自适应将浮出水面。我们有理由期待SDN在未来网络中的光明未来。10技术发展