0 引言

　　從第一代移動通信（1G）到目前的第四代移動通信技術(shù)（4G)，通信技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的改進。1G主要是語音通信，2G在語音通信的基礎(chǔ)上有了一定量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，3G業(yè)務(wù)使無線通信和因特網(wǎng)聯(lián)系在一起，4G通信的數(shù)據(jù)量更大。但是，現(xiàn)在通信技術(shù)無法滿足日益增長的數(shù)據(jù)量，因此5G技術(shù)的發(fā)展將是不可避免的。本文將介紹5G的基本特點、發(fā)展線路、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及提高5G網(wǎng)絡(luò)容量的方法，對5G的研究具有重要意義。

1 5G特點

　　5G網(wǎng)絡(luò)包括五大應(yīng)用場景：隨時隨地最佳體驗；支持大規(guī)模人群；超高速場景；超可靠的實時連接；無處不在的物物通信。5G有以下特點：

　　(1)相對于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)峰值速率需要提升10倍，達到10 Gb/s以上。

　　(2)相對于4G網(wǎng)絡(luò)，時延超低和可靠性高，業(yè)務(wù)時延小于5 ms，可實現(xiàn)450 km/h高速環(huán)境下通信。

　　(3)相對于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率高，而且平均頻譜效率需要提升5～10倍，將利用演進及頻率倍增或壓縮等創(chuàng)新技術(shù)提升頻率利用率[1]。

　　(4)一般用戶可獲得10 Mb/s速率，特殊用戶達到100 Mb/s。

　　(5)聯(lián)網(wǎng)移動設(shè)備數(shù)量增加到現(xiàn)在的100倍，網(wǎng)絡(luò)容量提升1 000倍。

　　(6)更加綠色節(jié)能的5G系統(tǒng)，通信能源消耗將是目前網(wǎng)絡(luò)的十分之一。

2 5G發(fā)展線路

　　圖１簡略描述了5G技術(shù)的主要發(fā)展線路，從移動通信發(fā)展現(xiàn)狀以及技術(shù)、標準與產(chǎn)業(yè)的演進趨勢來看，演進、融合和創(chuàng)新是面向未來5G技術(shù)標準發(fā)展的3大路線。

　　(1)主要演進路線

　　首先，以LTE/LTE-Advanced為代表的蜂窩演進路線。LTE/LTE-Advanced已經(jīng)是事實上的全球統(tǒng)一的4G標準，并將會在5G階段繼續(xù)演進。從頻分/時分和寬帶碼分多址變化為正交頻分多址接入，演進到5G時，可能采用非正交多址接入技術(shù)。這個演進方向主要提高了資源的利用效率[2]。

　　其次，以WLAN等無線技術(shù)為方向的演進。WLAN是當今全球應(yīng)用最為普及的寬帶無線接入技術(shù)之一，下一代WLAN標準“High-efficiency WLAN”的研究，將進一步提升運營商業(yè)務(wù)能力，推動WLAN技術(shù)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合。

　　最后，以小蜂窩技術(shù)為方向的演進。蜂窩覆蓋范圍逐漸減小，蜂窩覆蓋范圍的縮小已經(jīng)是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個趨勢，特別是在高度商業(yè)化地區(qū)。然而小蜂窩的隨機部署特性，不可避免地會出現(xiàn)小蜂窩的密集分布甚至超密集分布，以提高接入傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)容量。

　　（2）融合的三個方面

　　首先，多領(lǐng)域跨界融合。5G網(wǎng)絡(luò)需要能夠融合多領(lǐng)域的技術(shù)[3]，滿足各種設(shè)備多樣化的無線連接性要求。

　　其次，多系統(tǒng)融合。主要包括地面移動通信與衛(wèi)星移動通信、數(shù)字廣播通信與蜂窩通信、移動蜂窩系統(tǒng)與寬帶接入系統(tǒng)、短距離傳輸系統(tǒng)等系統(tǒng)間的融合。

　　此外，多RAT/多層次/多連接融合，蜂窩系統(tǒng)內(nèi)的多種接入技術(shù)（2G/3G/4G/5G）以及多層覆蓋（Macro/Micro/Pico/Femto）、多鏈路（Relay、D2D、UE-Relay）之間緊密耦合，協(xié)調(diào)合作，共同為用戶服務(wù)。

　　（3）5G的發(fā)展需要創(chuàng)新技術(shù)作為支撐。包括：①頻率運用的新技術(shù)，包含矯捷的操縱頻譜和高頻段；②新的空中接口技術(shù)，比如全雙工技術(shù)、非正交非同步多址技術(shù)以及角動量調(diào)制等技術(shù)；③新型5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]。

3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　如圖２所示是一種5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)可分為三大模塊：網(wǎng)絡(luò)場景、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。

　　（1）分析場景時，可以分為室內(nèi)和室外兩個場景。為了提高室外覆蓋率，小區(qū)基站采用大規(guī)模MIMO和分布式天線，為了彌補宏蜂窩的不足部署虛擬蜂窩；為了實現(xiàn)室內(nèi)高速率傳輸，室內(nèi)終端直接與室外的大規(guī)模天線陣列進行通信，充分利用適用于短距離通信的技術(shù)。

　　（2）接入網(wǎng)設(shè)計主要包括三點：首先，融合異構(gòu)多接入技術(shù)：包括5G，UTMS，LTE，WiFi等的融合；其次，資源進行集中分配，基站資源虛擬化，以及頻譜資源的動態(tài)利用。另外，傳輸路徑的優(yōu)化[5]，使數(shù)據(jù)平面設(shè)計扁平化。

　　（3）核心網(wǎng)設(shè)計主要包括兩點：首先，實現(xiàn)分離，包括控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離和物理硬件與邏輯分離兩個方面的分離；其次，增強對業(yè)務(wù)的感知能力，并滿足數(shù)據(jù)的動態(tài)傳輸。

4 5G關(guān)鍵技術(shù)的概述

　　4.1 高頻段傳輸技術(shù)

　　目前，移動通信系統(tǒng)主要工作在低頻段，而在高頻段，3 GHz以上利用較少，未來無線通信需要利用高頻段傳輸技術(shù)來提高系統(tǒng)容量。

　　4.2 MIMO技術(shù)

　　MIMO信道容量具備隨收發(fā)天線數(shù)中的最小值呈類似線性增加特征[6]。通過添加多個天線，可以為無線信道帶來更大的自由度，以容納更多的信息數(shù)據(jù)。MIMO可以大幅增加系統(tǒng)的吞吐量及傳送距離，運用大規(guī)模多天線技術(shù)MIMO已成為提高系統(tǒng)頻譜利用率和傳輸可靠性的有效手段，為大幅度提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量提供了一個有效的途徑。

　　4.3 同時同頻全雙工

　　現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)中，由于技術(shù)條件的限制, 不能實現(xiàn)同時、同頻以及雙向通信的全雙工通信, 雙向鏈路都是通過時間或頻率進行區(qū)分的, 對應(yīng)于TDD和FDD方式。由于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不能進行同時、同頻雙向通信，浪費了一半的無線資源，全雙工技術(shù)理論上可提高頻譜利用率一倍。

　　4.4 D2D通信技術(shù)

　　如圖3所示的D2D通信，D2D能夠?qū)崿F(xiàn)短距離設(shè)備間直接通信，具有信道質(zhì)量高、低時延、較高數(shù)據(jù)速率和較低功耗等優(yōu)點；利用廣泛分布的終端設(shè)備，能夠改善覆蓋和提高頻譜資源利用；未來5G網(wǎng)絡(luò)中，D2D 直接通信技術(shù)能夠在沒有基站的中轉(zhuǎn)下，實現(xiàn)通信設(shè)備之間的直接通信，拓展了網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式[7]。

　　4.5 超密集網(wǎng)絡(luò)部署

　　5G應(yīng)該是一個多元化、寬帶化、智能化的網(wǎng)絡(luò)，將部署更多的密集網(wǎng)絡(luò)來滿足室內(nèi)和室外場景的數(shù)據(jù)需求。密集網(wǎng)絡(luò)提升的信噪比增益比大規(guī)模天線帶來的信噪比增益更大，提升了終端用戶的體驗效果，并且大幅度提高系統(tǒng)容量，具有更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的頻譜效率的特征[8]。

　　4.6 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)

　　5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將具有低時延、低成本、扁平化、易維護等優(yōu)點。新型無線接入網(wǎng)架構(gòu)具有基于協(xié)作式無線電技術(shù)、集中化處理技術(shù)、實時云計算構(gòu)架技術(shù)的優(yōu)點。其本質(zhì)是通過充分利用低成本高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)，直接在遠端天線和集中化的中心節(jié)點間傳送無線信號，以構(gòu)建覆蓋上百個基站服務(wù)區(qū)域，甚至上百平方公里的無線接入系統(tǒng)。

　　4.7 網(wǎng)絡(luò)智能化技術(shù)

　　未來，網(wǎng)絡(luò)智能化技術(shù)將是5G網(wǎng)絡(luò)的一個重要技術(shù)，應(yīng)具有智能配置、智能識別、自動模式切換等優(yōu)點，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能自組織的功能。自組織網(wǎng)絡(luò)主要是讓網(wǎng)絡(luò)中具有自組織能力，即自配置、自優(yōu)化、自愈合等，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能地進行規(guī)劃、部署、維護、優(yōu)化和排障等優(yōu)點。

　　4.8 多載波技術(shù)

　　在5G系統(tǒng)中，為了達到高數(shù)據(jù)速率，將可能需求高達1 GHz的帶寬。但在低頻段難以獲得連續(xù)的寬帶頻譜資源。在這些頻段中，有的無線傳輸系統(tǒng)，比如電視網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在白頻譜資源。這些白頻譜的位置可能是不連續(xù)的[9]，希望在5G中能夠采用新型的多載波技術(shù)實現(xiàn)對這些頻譜的使用。

　　4.9 軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)

　　在傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，控制和轉(zhuǎn)發(fā)是集成在一起的，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)節(jié)點(如路由器、交換機)是封閉的，其轉(zhuǎn)發(fā)控制必須在本地完成，使得它們的控制功能非常復雜，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新復雜度高。軟件定義網(wǎng)絡(luò)的基本思路將路由器中的路由決策等控制功能從設(shè)備中分離出來，統(tǒng)一由中心控制器通過軟件來進行控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)和控制的分離，從而使得控制更為靈活，設(shè)備更為簡單。

5 改善5G系統(tǒng)容量的研究

　　（1）采用“異構(gòu)協(xié)同”方法提高網(wǎng)絡(luò)容量，“異構(gòu)協(xié)同”指建立高效、開放、可擴展、可信、智能的無線網(wǎng)絡(luò)體，新型無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、新頻段通信技術(shù)以及高效無線通信技術(shù)相互協(xié)同作用，共同提高網(wǎng)絡(luò)容量[10]。

　　（2）利用更多頻譜。開發(fā)利用高頻段資源，使其更加適合小小區(qū)；另外，開發(fā)利用“白頻譜”和可見光通信等技術(shù)資源。

　　（3）提升頻譜利用效率。首先，高效地使用頻譜（例如運用智能天線技術(shù)）可以提高頻譜效率；其次采用動態(tài)頻譜分配策略，打破傳統(tǒng)靜態(tài)頻譜分配方法的局限，結(jié)合時-頻-空多維頻譜的動態(tài)分配，促進頻譜資源利用能夠智能化，達到提高頻譜利用效率的目的；最后，采用新型無線接入的多址技術(shù)，嘗試非正交多址接入技術(shù)[11]。

　　（4）新型無線傳輸技術(shù)。首先，采用大規(guī)模MIMO和3D MIMO進行高效傳輸；另外，采用基于電磁波角動量特性的新型無線傳輸技術(shù)，例如電磁渦旋無線傳輸技術(shù)。

　　（5）更多基站（更小小區(qū)）。小區(qū)的部署更加密集，單個小區(qū)的覆蓋范圍大大縮小[12]。

　　（6）同時、同頻的雙向通信的全雙工技術(shù)。

6 結(jié)束語

　　本文詳細研究了5G通信發(fā)展愿景和特征，并詳細研究了對5G網(wǎng)絡(luò)的需求分析，研究了5G通信的發(fā)展線路，闡述了5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)的主要部分，對5G移動通信若干關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，最后，提出了提高5G無線網(wǎng)絡(luò)容量的研究方向以及采用到的關(guān)鍵技術(shù)，對提高無線網(wǎng)絡(luò)容量具有重要實際意義。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，5G關(guān)鍵核心技術(shù)將逐步得以確定，加快了5G標準化進程。

　　參考文獻

　　[1] 董利，陳金鷹，劉世林，等．第五代移動通信初探[J]．通信與信息技術(shù)，2013(5)：53-55．

　　[2] Singh Sapana，Singh Pratap.Key concepts and networkarchitecture for 5G mobile technology[J].International Jour-nal of Scientific Ｒesearch Engineering＆Technology，2012，(5)：165-170．

　　[3] 翟冠楠，李昭勇．5G無線通信技術(shù)概念及相關(guān)應(yīng)用[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2013(9)：1-6．

　　[4] WANG C X，HAIDER F，GAO X Q，et al.Cellular archi-tecture and key technologies for 5G wireless communication networks[J].IEEE Commun.Mag，2014，52(2)：122-130.

　　[5] NGO H Q，LARSSON E G，MARZETTA T L.Energy and spectral efficiency of very large multiuser MIMO systems[J].IEEE Trans.Commun.，2013，61(4)：1436-1449.

　　[6] MOHAMMED S K，LARSSON E G.Per-antenna constant envelope precoding for large multi-user MIMO systems[J].IEEE Trans.Commun.，2013，61(3)：1059-1071.

　　[7] OSSEIRAN A，BRAUN V，HIDEKAZU T，et al.The founda-tion of the mobile and wireless communications system for 2020 and beyond：Challenges, enablers and technology solu-tions[C].Proceedings of IEEE Vehicular Technology Confer-ence(VTC Spring)，2013：1-5.

　　[8] Nokia Siemens Networks.2020：Beyond 4G Radio Evolution for the Gigabit Experience. Nokia Siemens Networks Beyond4G White Paper[Z].

　　[9] LIU S，WU J J，CHUNG H K，et al.A 25 Gb/s(/km2) urban wireless network beyond IMT-advanced[J].IEEE Commun Mag，2011，49(2)：122-129.

　　[10] AIJAZ A，AGHVAMI H，AMANI M.A survey on mobile data offloading：Technical and business perspectives[J].IEEE Wirel.Commun.，2013，20(2)：104-112.

　　[11] HOYDIS J，BRINK S，Debbah M.Massive MIMO in the UL/DL of cellular networks: How many antennas do we need[J].IEEE J.Sel.Area Commun.，2013，31(2)：160-171.

　　[12] LARSSON E G，TUFVESSON F，EDFORS O，et al.Mas-sive MIMO for next generation wireless systems[J].IEEE Commun.Mag，2014，52(2)：186-19