5G 基本原理

移动运营商的 LTE 商业化进程才刚开始,而且实际应用到网络中的功能(使 LTE 成为真正的 4G 技术)为数不多。那为什么业内已经讨论 5G?

5G 方兴未艾,很明显,5G 技术在世界各地的研究以及前期开发中发挥着重要作用。固定用户对数据率以及连接速度的要求越来越高,这就需要更高的无线网络容量,尤其是在密集区。业界期望能将每个用户的数据率提高 100 倍且容量增加 1000 倍以上,并将此定为第五代移动通信系统 (5G) 的目标。以运动赛事或演唱会为例,许多观众都希望通过分享图片或视频,即时分享自己的感受。此类活动本身可能给观众提供附加服务,比如有关演唱曲目的背景信息,或者赛事片段的慢动作回放。

5G 驱动因素

除了用户对峰值数据率、容量以及成本效率不断提出更高的要求,物联网 (IoT) 也带来了诸多新的挑战。设备间通信将成为现实,包括机器对机器 (M2M)、车辆对车辆 (V2V) 或者更为普遍的 x 对 y。

相比于经优化可以提供移动带宽数据访问的 4G 系统所处理的要求,5G 提出了更多不同的要求。但除了设备数量很关键之外,用户对高可靠性、持久电池寿命(按年算,而不是按天算)以及较低响应时间(低延迟)的需求不断推动移动通信系统的升级。降低蜂窝通信网络的功耗也是另一个重要的要求。我们需要同时提高容量以及峰值数据率,这极具挑战。

持续的研究工作揭示了一系列推动实现宏伟目标的技术组成部分,包括:

  • 毫米波:通过探寻更高的频率范围,我们可以使用更高的带宽,进而可增加峰值数据率以及系统容量。
  • 新增空中接口:基于 OFDM 的 LTE 空中接口在有些情况下不适用,因此我们当前正讨论新增一些备用空中接口。
  • 大规模 MIMO/波束形成,有源天线:尤其在较高的频率下,传输路径损耗会显著增加,这需要通过增加天线增益来抵消。此外,自适应波束形成算法(甚至在每个用户设备上)是必需的,并且可以通过有源天线技术实施。
  • 设备对设备 (D2D) 通信:已经应用,旨在满足公共安全需求(使用 LTE)。在特定情况下,允许 D2D 通信有助于实现低延迟。
  • 网络虚拟化(基于云的网络):目的是在核心网络中的通用硬件上,将现在的专用硬件作为虚拟化软件运行。这可以扩展到无线电网络,通过将基站分隔为无线电单元以及基带单元(比如通过光纤连接)并合并基带单元,以便能够处理大量无线电单元。
  • 分割控制及用户平面以及/或者解耦下行链路及上行链路:重点在于异构网络部署,使其能够在宏观层面控制所有的用户设备,而用户数据则通过小单元单独提供。
  • Light MAC 以及优化 RRM 策略:考虑到存在很多可能非常小的单元,我们必须优化无线电资源管理。调度策略可能要求更精简的协议堆栈,这也可以在不协调的情境下部署。

据闻欧洲 5G 研究计划名为“Horizon 2020”。该计划传达了新技术部署的预期时间。一些最重要的 5G 研究活动(未声明完成)包括:

  • 由欧盟 (EU) 出资的研究项目
    • 列入第七研发框架计划 (PF7) 的 5GNow 研究项目,于 2012 年 9 月启动
    • 列入第七研发框架计划 (PF7) 的 METIS 研究项目,于 2012 年 11 月启动
    • Horizon 2020 – 欧盟研究与创新七年计划(2014 年至 2020 年)。属于第八研发框架计划 (FP8)
    • 5GPPP(5G 基础设施公私伙伴关系计划)是欧洲 ICT 行业与欧洲委员会斥资 14 亿欧元打造的联合计划
  • 5G 创新中心:英国 5G 研发中心,成立于 2013 年 11 月
  • 中国:IMT-2020 以及未来论坛(2013 年 2 月)
  • 台湾地区:科学技术局携国家科学委员会以及经济部联合制定 2014 年 5G 发展蓝图
  • 5G 论坛:韩国行业协会研发合作系统,建于 2013 年 5 月
  • 日本:ARIB 在 2013 年 9 月成立新的工作组(2020 年及此后)
  • 美国:多个院校研究项目得到了行业主要参与者的赞助,包括纽约大学在纽约市布鲁克林区的 NYU WIRELESS 研究中心(业界信道传播领域的领头羊),以及奥斯汀德克萨斯州大学、斯坦福大学及圣迭戈加州大学等。

5G 已经步入全球化轨道,且涉及诸多研究以及前期研发层面的项目。从广泛研究中可以明显看出,高频率 (> 6 GHz) 将有助于提高带宽以及数据率。但 5G 并不局限于高频率以及更高的带宽。将可能具有破坏性的技术与已经部署的 LTE/LTE-A(和/或 WLAN)技术集成是关键所在,包括分流策略。D2D 以及 IoT 应用也将变得必不可少。

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