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（4G)，通信技術發生了翻天覆地的改進。1G主要是語音通信，2G在語音通信的基礎上有了一定量的數據業務，3G業務使無線通信和因特網聯系在一起，4G通信的數據量更大。但是，現在通信技術無法滿足日益增長的數據量，因此5G技術的發展將是不可避免的。本文將介紹5G的基本特點、發展線路、網絡架構以及提高5G網絡容量的方法，對5G的研究具有重要意義。

1 5G特點

　　5G網絡包括五大應用場景：隨時隨地最佳體驗；支持大規模人群；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網絡，5G網絡峰值速率需要提升10倍，達到10 Gb/s以上。

　　(2)相對于4G網絡，時延超低和可靠性高，業務時延小于5 ms，可實現450 km/h高速環境下通信。

　　(3)相對于4G網絡，5G網絡頻譜利用率高，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新技術提升頻率利用率[1]。

　　(4)一般用戶可獲得10 Mb/s速率，特殊用戶達到100 Mb/s。

　　(5)聯網移動設備數量增加到現在的100倍，網絡容量提升1 000倍。

　　(6)更加綠色節能的5G系統，通信能源消耗將是目前網絡的十分之一。

2 5G發展線路

　　圖１簡略描述了5G技術的主要發展線路，從移動通信發展現狀以及技術、標準與產業的演進趨勢來看，演進、融合和創新是面向未來5G技術標準發展的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已經是事實上的全球統一的4G標準，并將會在5G階段繼續演進。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。這個演進方向主要提高了資源的利用效率[2]。

　　其次，以WLAN等無線技術為方向的演進。WLAN是當今全球應用最為普及的寬帶無線接入技術之一，下一代WLAN標準“High-efficiency WLAN”的研究，將進一步提升運營商業務能力，推動WLAN技術與蜂窩網絡的融合。

　　最后，以小蜂窩技術為方向的演進。蜂窩覆蓋范圍逐漸減小，蜂窩覆蓋范圍的縮小已經是未來網絡發展的一個趨勢，特別是在高度商業化地區。然而小蜂窩的隨機部署特性，不可避免地會出現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絡容量。

　　（2）融合的三個方面

　　首先，多領域跨界融合。5G網絡需要能夠融合多領域的技術[3]，滿足各種設備多樣化的無線連接性要求。

　　其次，多系統融合。主要包括地面移動通信與衛星移動通信、數字廣播通信與蜂窩通信、移動蜂窩系統與寬帶接入系統、短距離傳輸系統等系統間的融合。

　　此外，多RAT/多層次/多連接融合，蜂窩系統內的多種接入技術（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，協調合作，共同為用戶服務。

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

3 5G網絡架構

　　如圖２所示是一種5G網絡架構，該架構可分為三大模塊：網絡場景、接入網和核心網。

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

　　（2）接入網設計主要包括三點：首先，融合異構多接入技術：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利用。另外，傳輸路徑的優化[5]，使數據平面設計扁平化。

　　（3）核心網設計主要包括兩點：首先，實現分離，包括控制與轉發分離和物理硬件與邏輯分離兩個方面的分離；其次，增強對業務的感知能力，并滿足數據的動態傳輸。

4 5G關鍵技術的概述

　　4.1 高頻段傳輸技術

　　目前，移動通信系統主要工作在低頻段，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來提高系統容量。

　　4.2 MIMO技術

　　MIMO信道容量具備隨收發天線數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據。MIMO可以大幅增加系統的吞吐量及傳送距離，運用大規模多天線技術MIMO已成為提高系統頻譜利用率和傳輸可靠性的有效手段，為大幅度提高網絡系統的容量提供了一個有效的途徑。

　　4.3 同時同頻全雙工

　　現有的無線通信系統中，由于技術條件的限制, 不能實現同時、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分的, 對應于TDD和FDD方式。由于現有網絡不能進行同時、同頻雙向通信，浪費了一半的無線資源，全雙工技術理論上可提高頻譜利用率一倍。

　　4.4 D2D通信技術

　　如圖3所示的D2D通信，D2D能夠實現短距離設備間直接通信，具有信道質量高、低時延、較高數據速率和較低功耗等優點；利用廣泛分布的終端設備，能夠改善覆蓋和提高頻譜資源利用；未來5G網絡中，D2D 直接通信技術能夠在沒有基站的中轉下，實現通信設備之間的直接通信，拓展了網絡連接和接入方式[7]。

　　4.5 超密集網絡部署

　　5G應該是一個多元化、寬帶化、智能化的網絡，將部署更多的密集網絡來滿足室內和室外場景的數據需求。密集網絡提升的信噪比增益比大規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容量，具有更靈活的網絡部署和更高效的頻譜效率的特征[8]。

　　4.6 新型網絡架構技術

　　5G網絡架構將具有低時延、低成本、扁平化、易維護等優點。新型無線接入網架構具有基于協作式無線電技術、集中化處理技術、實時云計算構架技術的優點。其本質是通過充分利用低成本高速光傳輸網絡，直接在遠端天線和集中化的中心節點間傳送無線信號，以構建覆蓋上百個基站服務區域，甚至上百平方公里的無線接入系統。

　　4.7 網絡智能化技術

　　未來，網絡智能化技術將是5G網絡的一個重要技術，應具有智能配置、智能識別、自動模式切換等優點，實現網絡智能自組織的功能。自組織網絡主要是讓網絡中具有自組織能力，即自配置、自優化、自愈合等，實現網絡智能地進行規劃、部署、維護、優化和排障等優點。

　　4.8 多載波技術

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

　　4.9 軟件定義無線網絡

　　在傳統的Internet網絡架構中，控制和轉發是集成在一起的，網絡互聯節點(如路由器、交換機)是封閉的，其轉發控制必須在本地完成，使得它們的控制功能非常復雜，網絡技術創新復雜度高。軟件定義網絡的基本思路將路由器中的路由決策等控制功能從設備中分離出來，統一由中心控制器通過軟件來進行控制，實現轉發和控制的分離，從而使得控制更為靈活，設備更為簡單。

5 改善5G系統容量的研究

　　（1）采用“異構協同”方法提高網絡容量，“異構協同”指建立高效、開放、可擴展、可信、智能的無線網絡體，新型無線通信網絡架構、新頻段通信技術以及高效無線通信技術相互協同作用，共同提高網絡容量[10]。

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

　　（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）可以提高頻譜效率；其次采用動態頻譜分配策略，打破傳統靜態頻譜分配方法的局限，結合時-頻-空多維頻譜的動態分配，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，嘗試非正交多址接入技術[11]。

　　（4）新型無線傳輸技術。首先，采用大規模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，例如電磁渦旋無線傳輸技術。

　　（5）更多基站（更小小區）。小區的部署更加密集，單個小區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。

6 結束語

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

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