5G移动通信发展趋势与若干关键技术_尤肖虎

评述引用格式:尤肖虎,潘志文,高西奇,等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术.中国科学:信息科学,2014,44:551{563,doi:10.1360/N112014-00032中国科学:信息科学2014年第44卷第5期:551{563移动通信发展趋势与若干关键技术尤肖虎¬,潘志文¬,高西奇¬,曹淑敏­,邬贺铨®¬东南大学移动通信国家重点实验室,南京210096­工业和信息化部电信研究院,北京100191®中国工程院,北京100088*通信作者.E-mail:[e-mail]收稿日期:2014–02–19;接受日期:2014–03–21国家高技术研究发展计划(批准号:2014AA01A704)、国家自然科学基金委员会创新群体(批准号:61221002)和Intel公司资助项目摘要第5代移动通信系统(5G)是面向2020年之后的新一代移动通信系统,其技术发展尚处于探索阶段.结合国内外移动通信发展的最新趋势,本文对5G移动通信发展的基本需求、技术特点与可能发展途径进行了展望,并分无线传输和无线网络两个部分,重点论述了富有发展前景的7项5G移动通信关键技术,包括大规模天线阵列、基于滤波器组的多载波技术、全双工复用、超密集网络、自组织网络、软件定义网络及内容分发网络.本文还概括性地介绍了国内5G移动通信的相关研发活动及其近期发展目标.关键词5G关键技术发展趋势无线传输技术无线网络技术1概述与总体趋势5G是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统.根据移动通信的发展规律,5G将具有超高的频谱利用率和能效,在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高一个量级或更高,其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高.5G移动通信将与其他无线移动通信技术密切结合,构成新一代无所不在的移动信息网络,满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求.5G移动通信系统的应用领域也将进一步扩展,对海量传感设备及机器与机器(M2M)通信的支撑能力将成为系统设计的重要指标之一.未来5G系统还须具备充分的灵活性,具有网络自感知、自调整等智能化能力,以应对未来移动信息社会难以预计的快速变化.5G已经成为国内外移动通信领域的研究热点.2013年初欧盟在第7框架计划启动了面向5G研发的METIS(mobileandwirelesscommunicationsenablersforthe2020informationsociety)项目[1],由包括我国华为公司等29个参加方共同承担;韩国和中国分别成立了5G技术论坛和IMT-2020(5G)推进组,我国863计划也分别于2013年6月和2014年3月启动了5G重大项目一期和二期研发课题.目前,世界各国正就5G的发展愿景、应用需求、候选频段、关键技术指标及使能技术进行广泛的研讨,力求在2015年世界无线电大会前后达成共识,并于2016年后启动有关标准化进程[2].尤肖虎等:5G移动通信发展趋势与若干关键技术移动互联网的蓬勃发展是5G移动通信的主要驱动力.移动互联网将是未来各种新兴业务的基础性业务平台,现有固定互联网的各种业务将越来越多地通过无线方式提供给用户,云计算及后台服务的广泛应用将对5G移动通信系统提出更高的传输质量与系统容量要求.5G移动通信系统的主要发展目标将是与其他无线移动通信技术密切衔接,为移动互联网的快速发展提供无所不在的基础性业务能力.按照目前业界的初步估计,包括5G在内的未来无线移动网络业务能力的提升将在3个维度上同时进行:1)通过引入新的无线传输技术将资源利用率在4G的基础上提高10倍以上;2)通过引入新的体系结构(如超密集小区结构等)和更加深度的智能化能力将整个系统的吞吐率提高25倍左右;3)进一步挖掘新的频率资源(如高频段、毫米波与可见光等),使未来无线移动通信的频率资源扩展4倍左右.当前信息技术发展正处于新的变革时期,5G技术发展呈现出新的如下特点.1)5G研究在推进技术变革的同时将更加注重用户体验,网络平均吞吐速率、传输时延以及对虚拟现实、3D、交互式游戏等新兴移动业务的支撑能力等将成为衡量5G系统性能的关键指标.2)与传统的移动通信系统理念不同,5G系统研究将不仅仅把点到点的物理层传输与信道编译码等经典技术作为核心目标,而是从更为广泛的多点、多用户、多天线、多小区协作组网作为突破的重点,力求在体系构架上寻求系统性能的大幅度提高.3)室内移动通信业务已占据应用的主导地位,5G室内无线覆盖性能及业务支撑能力将作为系统优先设计目标,从而改变传统移动通信系统\以大范围覆盖为主、兼顾室内的设计理念.4)高频段频谱资源将更多地应用于5G移动通信系统,但由于受到高频段无线电波穿透能力的限制,无线与有线的融合、光载无线组网等技术将被更为普遍地应用.5)可\软配置的5G无线网络将成为未来的重要研究方向,运营商可根据业务流量的动态变化实时调整网络资源,有效地降低网络运营的成本和能源的消耗.本文第2节分为5G无线传输和无线网络两个部分,对5G移动通信若干关键技术的现状与未来发展进行了评述,内容涉及大规模多输入多输出(MassiveMIMO)、基于滤波器组的多载波技术、全双工等无线传输与多址技术,以及超密集异构网络、自组织网络、软件定义网络及内容分发网络等无线网络及组网关键技术;第3节简述了我国5G移动通信近期的推进计划、研发活动及发展目标;最后给出了全文的总结.25G移动通信若干关键技术为提升其业务支撑能力,5G在无线传输技术和网络技术方面将有新的突破[3].在无线传输技术方面,将引入能进一步挖掘频谱效率提升潜力的技术,如先进的多址接入技术、多天线技术、编码调制技术、新的波形设计技术等;在无线网络方面,将采用更灵活、更智能的网络架构和组网技术,如采用控制与转发分离的软件定义无线网络的架构、统一的自组织网络(SON)、异构超密集部署等.5G移动通信标志性的关键技术主要体现在超高效能的无线传输技术和高密度无线网络(highden-sitywirelessnetwork)技术.其中基于大规模MIMO的无线传输技术将有可能使频谱效率和功率效率在4G的基础上再提升一个量级,该项技术走向实用化的主要瓶颈问题是高维度信道建模与估计以及复杂度控制.全双工(fullduplex)技术将可能开辟新一代移动通信频谱利用的新格局.超密集网络(ultradensenetwork,UDN)已引起业界的广泛关注,网络协同与干扰管理将是提升高密度无线网络容量的核心关键问题.552中国科学:信息科学第44卷第5期体系结构变革将是新一代无线移动通信系统发展的主要方向.现有的扁平化SAE/LTE(systemarchitectureevolution/longtermevolution)体系结构促进了移动通信系统与互联网的高度融合,高密度、智能化、可编程则代表了未来移动通信演进的进一步发展趋势,而内容分发网络(CDN)向核心网络的边缘部署,可有效减少网络访问路由的负荷,并显著改善移动互联网用户的业务体验.1)超密集组网:未来网络将进一步使现有的小区结构微型化、分布化,并通过小区间的相互协作,化干扰信号为有用信号,从而解决小区微型化和分布化所带来的干扰问题,并最大程度地提高整个网络的系统容量.2)智能化:未来网络将在已有SON技术的基础上,具备更为广泛的感知能力和更为强大的自优化能力,通过感知网络环境及用户业务需求,在异构环境下为用户提供最佳的服务体验.3)可编程:未来网络将具备软件可定义(SDN)能力,数据平面与控制平面将进一步分离,集中控制、分布控制或两者的相互结合,将是网络演进发展中需要解决的技术路线问题;基站与路由交换等基础设施具备可编程与灵活扩展能力,以统一融合的平台适应各种复杂的及不同规模的应用场景.4)内容分发边缘化部署:移动终端访问的内容虽然呈海量化趋势,但大部分集中在一些热点内容和大型门户网站,在未来的5G网络中采用CDN技术将是提高网络资源利用率的重要潜在手段.2.1无线传输技术2.1.1大规模MIMO技术多天线技术作为提高系统频谱效率和传输可靠性的有效手段,已经应用于多种无线通信系统,如3G系统、LTE、LTE-A、WLAN等.根据信息论,天线数量越多,频谱效率和可靠性提升越明显.尤其是,当发射天线和接收天线数量很大时,MIMO信道容量将随收发天线数中的最小值近似线性增长.因此,采用大数量的天线,为大幅度提高系统的容量提供了一个有效的途径.由于多天线所占空间、实现复杂度等技术条件的限制,目前的无线通信系统中,收发端配置的天线数量都不多,比如在LTE系统中最多采用了4根天线,LTE-A系统中最多采用了8根天线[4].但由于其巨大的容量和可靠性增益,针对大天线数的MIMO系统相关技术的研究吸引了研究人员的关注,如单个小区情况下,基站配有大大超过移动台天线数量的天线的多用户MIMO系统的研究等[5].进而,2010年,贝尔实验室的Marzetta研究了多小区、TDD(timedivisionduplexing)情况下,各基站配置无限数量天线的极端情况的多用户MIMO技术,提出了大规模MIMO(largescaleMIMO,或者称MassiveMIMO)的概念[6],发现了一些与单小区、有限数量天线时的不同特征.之后,众多的研究人员在此基础上研究了基站配置有限天线数量的情况[7].在大规模MIMO中,基站配置数量非常大(通常几十到几百根,是现有系统天线数量的12个数量级以上)的天线,在同一个时频资源上同时服务若干个用户.在天线的配置方式上,这些天线可以是集中地配置在一个基站上,形成集中式的大规模MIMO,也可以是分布式地配置在多个节点上,形成分布式的大规模MIMO.值得一提的是,我国学者在分布式MIMO的研究一直走在国际的前列[810].大规模MIMO带来的好处主要体现在以下几个方面:第一,大规模MIMO的空间分辨率与现有MIMO相比显著增强,能深度挖掘空间维度资源,使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信,从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率.第二,大规模MIMO可将波束集中在很窄的范围内,从而大幅度降低干扰.第三,可大幅降低发射功率[7],从而提高功率效率.第四,当天线数量足够大时,最简单的线性预编码和线性检测器趋于最优,并且噪声和不相关干扰都可忽略不计.553尤肖虎等:5G移动通信发展趋势与若干关键技术近两年针对大规模MIMO技术的研究工作主要集中在信道模型、容量和传输技术性能分析、预编码技术、信道估计与信号检测技术等方面[1114],但还存在一些问题:由于理论建模和实测模型工作较少,还没有被广泛认可的信道模型;由于需要利用信道互易性减少信道状态信息获取的开销,目前的传输方案大都假设采用TDD系统,用户都是单天线的,并且其数量远小于基站天线数量.导频数量随用户数量线性增加,开销较大,信号检测和预编码都需要高维矩阵运算,复杂度高,并且由于需要利用上下行信道的互易性,难以适应高速移动场景和FDD(frequencydivisionduplexing)系统;在分析信道容量及传输方案的性能时,大都假设独立同分布信道,从而认为导频污染是大规模MIMO的瓶颈问题,使得分析结果存在明显的局限性,等等.因此,为了充分挖掘大规模MIMO的潜在技术优势,需要深入研究符合实际应用场景的信道模型,分析其对信道容量的影响,并在实际信道模型、适度的导频开销、可接受的实现复杂度下,分析其可达的频谱效率、功率效率,并研究最优的无线传输方法、信道信息获取方法、多用户共享空间无线资源的联合资源调配方法.针对以上问题的研究,存在诸多的挑战,但随着研究的深入,大规模MIMO在5G中的应用被寄予了厚望[15],可以预计,大规模MIMO技术将成为5G区别于现有系统的核心技术之一.2.1.2基于滤波器组的多载波技术由于在频谱效率、对抗多径衰落、低实现复杂