关于5G无线网络关键技术的深度剖析

自2009年5月27日瑞典电信运营商Telia宣布启用世界上第一个4G （LTE： Long Term Evolution）试商用网络以来，4G网络的部署已在全球全面开花。根据GSA的最新报告，截至2014年第2季度，全球111个国家已经部署了300多张LTE网络（其中41张为TD-LTE网络），用户总数达到2.45亿，市面上的LTE终端达1900款。

目前，4G已经进入规模商用阶段，5G是继4G后新一代的移动通信技术，从移动通信发展现状以及技术、标准与产业的演进趋势来看，未来5G移动通信技术的演进存在三条重要的演进路线，分别为以LTE/LTE-Advanced为代表的蜂窝演进路线；WLAN演进路线和革命性演进路线。首先，LTE/LTE-Advanced已经是事实上的全球统一的4G标准，并将会在5G阶段继续演进。

在产业化方面，LTE在全球范围内的商用化进程不断加快。标准化方面，3GPP R12版本的标准化工作正在对小小区增强技术、新型多天线技术、终端直通技术、机器间通信等新技术开展研究和标准化工作。随着更多的先进技术融入到LTE/LTE-Advanced技术标准中，给蜂窝移动通信带来了强大的生命力和发展潜力。

其次，无线局域网（WLAN）是当今全球应用最为普及的宽带无线接入技术之一，拥有良好的产业和用户基础，巨大的市场需求推动了WLAN技术的发展，大量的非授权频段也给WLAN技术提供了巨大的发展空间。目前，IEEE已经启动了下一代WLAN标准“High-efficiency WLAN”的研究，将进一步提升运营商业务能力，推动WLAN技术与蜂窝网络的融合。

此外，我们还应当特别关注可能出现的革命性5G技术。从蜂窝移动通信的演进路线来看，每一代演进都有革命性技术出现，从2G的GSM到3G的CDMA，再到4G的OFDM，那么，5G是否会出现新一代的革命性技术，而这种革命性技术是否需要与LTE演进采用不同的技术路线，进而产生新一代的空中接口技术，将成为我们重点关注的内容。

从目前网络技术发展现状来看，4G是现阶段使用最多的技术，但是整个业界已经开始了对5G的研讨和研发，5G简单的来说是形成人与物和物与物之间的高速连接，实现整个网络，终端，无线和业务的进一步融合。5G可以说是人在感知方面的获取和控制能力更强，5G的服务对象是将公众用户向行业用户拓展，网络也将更智能和更加的广泛。

从目前的研究现状来看，欧盟于2012年启动METIS项目，正式开始研究5G技术，现阶段METIS共有8个工作组进行相应横向课题研究，目标是为建立5G移动和无线通信系统奠定基础，为未移动通信和无线技术达成共识，目前已经在5G的概念和关键技术上获得了较为统一的认识。

韩国从2013年开始研发5G技术，成立了5G Forum，积极推动6GHz以上频段为未来IMT频段，韩国计划以2020年实现该技术的商用为目标，全面研发5G移动通信核心技术。日本于2013年成立了ARIB研究所，开始正式对5G进行研究，计划在2020年东京奥运会上推出5G服务，日本研究者认为5G代表着接入网容量增加1000倍，通过使用大量高频频谱，再加上大规模MIMO技术来实现容量的增加，可以说未来5G将会是人们通信生活的核心。

我们在4G网络观看视频前等待数秒并不是什么太大的问题，但如果在自动驾驶汽车行驶时碰到数据延迟就完全不能接受了。具体来说，就目前4G网络而言，该网络通常需要15-25毫秒的时间将数据传输给可能发生碰撞的车辆，然后车辆才会开始紧急制动。但在未来的5G网络下，这一数据的传输时间将仅为1毫秒。

为什么需要5G？不是因为通信工程师们突然想改变世界，而炮制了一个5G。是因为先有了需求，才有了5G。什么需求？未来的网络将会面对：1000倍的数据容量增长，10到100倍的无线设备连接，10到100倍的用户速率需求，10倍长的电池续航时间需求等等。坦白的讲，4G网络无法满足这些需求，所以5G就必须登场。

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节点回程链路。

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。为了消除符号间干扰(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ISI，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。