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2019-04-16

5G关键技术发展态势研究(一):无线技术

发布者:文章来源:上海情报服务平台 曹磊 ; 福德正神:412

文章关键词导读:5G、多天线、基站、芯片、PCBA线路板

 

最近5G行业热点不断:中国移动牵头3GPP 5G系统设计;华为主导的Polar码入围5G 控制信道编码;工信部发布了2017年5G 国家科技重大专项课题;5G 第二阶段实验规范发布等。5G关键技术与系统的演进正受到越来越多的关注。由于5G标准尚未最终确定,基于现有研究报道,本文将对5G关键技术中的无线技术发展趋势进行展望。

 

1.        大规模天线(Massive MIMO)

多天线(MIMO)技术由贝尔实验室在20世纪90年代提出,早在3G时代就被引入无线通信领域,后来也是4G的关键技术之一。传统MIMO技术到5G时代已不能满足呈指数增长的无线数据需求。2010年底,贝尔实验室的科学家又提出了大规模MIMO(Massive MIMO)的概念。Massive MIMO技术指基站天线数目庞大,而用户终端采用单天线接收的通信方式,作为目前移动通信系统一种平滑的过渡方式,通过对基站的改造,提高系统的频谱利用率。

面对5G在传输速率和系统容量等方面存在的挑战,天线数目增加将是MIMO继续演进的方向。根据概率统计学原理,当基站侧天线数量远大于用户天线数量时,基站各个用户的信道将趋于正交。这种情况下用户间干扰将趋于消失,而巨大的阵列增益能够有效提升每个用户的信噪比,从而能够在相同的时频资源上支持更多的用户。

大规模天线技术是3GPP中研究的最重要议题之一。虽然标准仍在争论,但是这一技术目前已经可以应用。日本软银已在全国43城市的100个基站中使用相关技术,东京城区4个位置的测试表明大规模天线技术可以实现约6.7倍的通信速度提升。中兴通讯的大规模天线产品已在国际屡屡获奖,而大唐电信的大规模天线也已集成了256个天线。上海也已经有了大规模天线的试点。

2.         新型多址技术

多址技术是指通信用户地址识别的技术,即如何识别用户的身份,在3G中使用的是CDMA技术(码分多址),4G使用OFDMA技术(正交频分多址),而5G不仅要提升频谱效率还要支持海量终端连接,降低信令开销,缩短接入时延,节省终端功耗等,因此需要新型多址技术。

多址技术主要目的在于提高基站接入用户的数量。为达到此目的,5G使用的多址技术将会在原有多址技术的基础上继续增加用户。然而用户的增加会造成用户之间信号的干扰。目前,华为的基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址技术(SCMA)、大唐的基于非正交特征图样的图样分割多址技术(PDMA)、中兴的基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入技术(MUSA)都已经完成了新型多址技术重点针对上行用户连接能力、下行吞吐量性能以及上行免调度能力的性能测试。相比于LTE,华为、中兴下行吞吐量性能增益超过86%;华为、中兴、大唐上行用户连接能力均可提升3倍;中兴还实现了上行免调度性能测试。

3.        超密集组网技术(UDN)

随着终端数量的增多,现有的基站在办公室、住宅、校园、大型集会、体育场、地铁等场景中将会面临流量的进一步提升。同时,通信频率的升高也表明新建站对应蜂窝尺寸的降低和密度的提升。超密集组网通过增加单位面积内小基站的密度,并通过在异构网络中引入超大规模低功率节点实现热点增强、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量。

异构网络(HetNet)将是应对未来数据流量陡增,满足容量增长需求的主要途径。在宏蜂窝网络层中,运营商可通过布放大量低功率的微蜂窝(Microcell)、微微蜂窝(Picocell)、毫微微蜂窝(Femtocell)等非标准六边形蜂窝接入点,形成低功率节点层,大量重用系统已有频谱资源,增强总的等效功率资源,并有针对性地按需部署、就近接入,来满足热点地区对容量的需求。

根据中国移动公布的数据,2015 年底公司基站数达到260 万个,近5 年的复合增长率为24.78%。根据市场研究机构ABI Research 最新调查显示,2021 年全球室内小型基站市场规模将达到18 亿美元。目前,大唐电信已完成超密集组网第一阶段的测试。

4.        信道编码技术

信道编码,也叫差错控制编码,是所有现代通信系统的基石,通过在发送端对原数据添加相关性冗余信息,接收端根据这种相关性来检测和纠正传输过程产生的差错。信道编码技术在历史上出现了Hamming码、Golay码、Viterbi码、Turbo码、LDPC码等方案。Turbo 码与LDPC 码具有逼近香农极限的性能,能很好满足3G、4G通信的需求,但由于两者各有优缺点,满足全部5G应用并不现实。Polar码是2007年由土耳其比尔肯大学教授E.Arikan基于信道极化理论提出的一种线性信道编码方法,能达到香农极限,并且具有较低的编译码复杂度,但由于出现较晚,在实际场景中没有Turbo码和LDPC码应用广泛,产业链也不是很成熟。2016年11月,3GPP RAN1 87次会议确定了5G eMBB(增强移动宽带)场景下的信道编码方案:数据通道为LDPC 码,控制通道为Polar极化码。

表:各类信道编码方式比较

编码方式

Hamming 码

Golay 码

Viterbi码

Turbo 码

LDPC 码

Polar 码

特点

低效,最早

Hamming码改进

第一个长信号编码

迭代码,计算量大

速度快,计算量大

高增益、高可靠

应用

没有大规模应用

旅行者号土星木星回传

GSM、CDMA

3G、4G、4.5G

WiFi、数字电视、5G数据通道

5G控制通道

推动方

/

/

/

爱立信、Orange

高通、诺基亚、Intel、三星

华为

专利

到期

到期

到期

到期

到期

未到期

资料来源:樊昌信, 曹丽娜. 通信原理[M].北京:国防工业出版社,2015.1.

 

5.        新型多载波技术

正交频分复用技术(OFDM)是4G重要的多载波技术,在5G中也是基本波形的重要选择,但OFDM仍然存在对时频同步要求高、需要全频带配置统一的波形参数等问题。5G除了传统的移动互联网场景,还定义了大规模物联网场景和低时延高可靠场景,不同的场景对载波也提出了不同的要求。同时,由于新业务和新技术层出不穷,为了避免一出现就落后的局面,多载波技术要具有良好的可扩展性和可配置性,实现向后兼容,并且可以和新型调制编码、新型多址和大规模天线等技术实现很好的结合。目前业界提出的新型多载波技术包括F-OFDM、UFMC以及FBMC技术等,能够克服OFDM目前所存在的时频同步敏感性。

6.        全频谱接入技术

5G的无线技术可由5G新空口(包括6GHz以下低频技术和6GHz以上高频技术)和4G演进空口两部分组成。其中5G低频新技术用于增强移动宽带场景,高频新技术联合低频技术组网用于热点地区;4G演进技术作为补充。所以高频技术仅用于人与人之间的高速通信;低频技术用于人与人的通信和物联网场景。

不同于4G,5G频谱并没有提前确定,这也是由于5G面临高频段通信技术的加入,而此技术尚未在全球达成共识。为了统一全球的毫米波频率标准,ITU在WRC-15会上通过了2019年WRC-19 1.13议题:审议国际移动通信未来发展的频谱需求和候选频段。同时公布了24GHz到86GHz之间的全球可用频率的建议列表:24.25~27.5GHz,31.8~33.4GHz,37~40.5GHz,40.5~42.5GHz,45.5~50.2GHz,50.4~52.6GHz,66~76GHz,81~86GHz。

美国联邦通信委员会(FCC)已于2015年10月21日发布了拟议规范公告(NPRM),针对28GHz (27.5~28.35GHz)、37GHz(37~38.6 GHz)、39GHz(38.6~40 GHz)和64~71GHz频带提出全新且灵活的服务规则。2016年7月,FCC又立法确定了这些频率的应用。而日本NTT 也已提议将3.5GHz、4.5GHz和28GHz频段作为5G服务的潜在备选频段,并已将3.5GHz用于4G服务。

7.        终端直连技术(D2D)

与物联网中的M2M(Machine to Machine)概念类似,D2D旨在使一定距离范围内的用户通信设备直接通信,以降低对服务基站的负荷。D2D 通信模式下能有效提升网络容量。用户数据直接在终端之间传输,避免了蜂窝通信中用户数据经过网络中转传输,由此产生链路增益;其次,D2D用户之间以及D2D与蜂窝之间的资源可以复用,由此可产生资源复用增益;通过链路增益和资源复用增益则可提高无线频谱资源的效率,进而提高网络吞吐量。

针对物联网增强的D2D通信的典型场景之一是车联网中的短距离、低时延和高可靠性的V2X(车车V2V、车路V2I、车人V2P 等,统称V2X)通信。例如,在高速行车时,车辆的变道、减速等操作动作,可通过D2D通信的方式发出预警,车辆周围的其他车辆基于接收到的预警对驾驶员提出警示,甚至紧急情况下对车辆进行自主操控,以缩短行车中面临紧急状况时驾驶员的反应时间,降低交通事故发生率。

在低成本的D2D场景中,低成本、低功耗的D2D连接模式能够代替物联网蜂窝通信,从而实现对物联网终端可管可控可计费以及安全需求,从而满足物联网超标、可穿戴等应用的普及推广。


【阅读提示】

以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,在水基清洗、环保清洗方面有着丰富的经验,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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