为了满足先进的技术指标,5G技术的创新主要来源于无线接入技术和网络架构技术两方面。
5G无线接入的关键技术主要包含6项:大规模天线阵列、超密集组网(UDN)、全频谱接入、新型多址、新型多载波、终端直连等。
(1)接入技术1——大规模天线阵列(MassiveMIMO):增加天线端口数,提升相同时频下的用户数
MassiveMIMO技术是5G移动通信的核心技术。目前3GPPLTERelease10(4G)中支持的多天线技术仅仅支持最大8端口的水平维度波束赋形技术,而5G为了进一步提升频率效率,一个直观的方法就是进一步增加并行传输的数据流的个数,或者更进一步:增加基站天线端口的数目,达到16、64甚至更高端口数,即可使传输的用户配对数目随天线阵列数目增加而增加,即使更多的用户在同一时间内进行传输,提升了频谱效率。
除了端口数继续增加,MIMO天线也在挖掘空间维度的潜能——3D-MIMO。3D-MIMO是MassiveMIMO的一种,3D-MIMO是在传统的2D-MIMO的基础上,在垂直方向增加了一维可供利用的维度,可同时实现水平和垂直方向上的MIMIO,目前3D-MIMO将大规模用在4.5G系统中。
资料来源:中国报告网整理
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(2)接入技术2——超密集组网(UDN):大量增加小基站提升热点大容量场景覆盖
5G网络要满足的其中一个场景是热点高容量,即办公室、密集住宅区、密集街区、校园、大型集会、体育场和地铁等热点地区和广域覆盖区域。随着移动数据业务飞速发展,尤其是热点地区的流量需求一直是运营商函需解决的重要问题,这一问题在5G网络将显得尤为显著。根据近几年运营商的统计数据看,虽然室内覆盖只占移动通信覆盖区域总面积的20%,却产生了所有覆盖区域业务量的70%。
数据来源:国家统计局
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由于低频段资源的稀缺,仅依靠提升频谱效率无法满足大容量地区数据增长的需求,因此,通过增加单位面积内小基站密度,形成超密集组网,是解决该问题的最有效手段。根据3GPP对某密集住宅区场景及办公楼场景的小基站部署实验统计,随着小基站数目的增加,系统容量逐渐升高。密集住宅场景下:当部署8个小基站时,系统容量达到仅宏基站蜂窝覆盖的13倍。办公楼场景下:当每层部署40个小基站时,系统容量可提升至单小基站部署的14倍。
数据来源:国家统计局
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随着小区部署密度的增加,超密集组网需要解决如干扰、移动性、站址、传输资源以及部署成本等问题。为了满足大容量场景的需求和技术挑战,实现易部署、易维护、用户体验轻快的轻型网络,5G的超密集组网还需要解决如下技术:接入和回传联合设计、干扰管理及抑制、小区虚拟化技术等。
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(3)接入技术3——全频谱接入:增加6GHz以上高频段,高低频混合组网
如果把移动通信系统的建设看成是开发商盖“房子”,那频谱的作用就是“土地”,只有有了土地,开发商才能盖好房子。过去2G、3G、4G网络,主要用的是6GHz以内的低频段,而5G有着高数据流量和高传输速率的需求,根据ITU-RWP5D对2020年IMT(国际移动通信)频谱需求预测,中国2020年频谱需求总量为1490-1810MHz,而与我国目前已规划的IMT总频率687MHz相比仍然有800MHz的频谱缺口。所以5G将会是混合6GHz以下低频段和6GHz以上高频段,其中低频段是5G的核心频段,用于无缝覆盖;高频段作为辅助频段,用于热点区域的速率提升。
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高频通信在军事通信和无线局域网(WLAN)等领域已经获得应用,但是在蜂窝通信领域的研究尚处于初步阶段。高频信号在移动条件下,易受到障碍物、反射物、散射体以及大气吸收等环境因素的影响,高频信道与传统蜂窝频段信道有着明显差异,因此,在全频谱接入方面,还需要解决如下技术:高频信道测量与建模、高频新空口、组网技术以及高频毫米波器件。
(4)接入技术4——新型多址:搭建更多专线,减少多余信令开销
多址技术是基站区分终端用户的技术。3G时代的CDMA(码分多址)、4G时代的OFDMA(正交频分多址)等都是重要的多址技术,5G时代为了应对海量终端的接入,将引入多址技术。
新型多址技术包括:SCMA(基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址技术,华为提出)、PDMA(基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入技术,中兴提出)和MUSA
(基于非正交特征图样的图样分割多址技术,大唐提出)为代表的新型多址技术。
新型多址技术带来的优势:
a)提升系统频谱效率;
b)成倍增加系统接入容量;
c)通过免调度传输简化信令流程,降低空口时延。
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(5)接入技术5——新型多载波:灵活配置的子载波长度
OFDM是4G的主要载波方式,在5G时代,OFDM仍然是基本的载波方式,但为了应对5G业务多样化需求、更高频谱效率等需求,5G网络将应用滤波器对子载波进行过滤,为不同业务配置不同的时延、带宽等参数,自适应地应对高速移动、物联网等业务。新型多载波技术包括:F-OFDM(华为提出)、FB-OFDM(中兴提出)、UFOFDM(上海贝尔提出)。
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(6)接入技术6——终端直连:邻居之间不经快递直接传信息
终端之间通信的传统模式是“终端-基站-终端”,而终端直连通信是一种“终端-终端”的模式,不再经过“基站”这个“快递公司”。终端直连通信可以减轻基站负担、减小通信时延,是5G网络的重要延伸技术。
终端直连主要采用WiFi、Bluetooth、LTE-D2D等技术,与传统的蜂窝通信融合以后,可产生智能交通的V2V/V2I(车车、车路)通信、多用户协作通信、数据共享网络等新应用场景。
资料来源:中国报告网整理
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