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1、精选优质文档-倾情为你奉上无线通信技术史及5G关键技术简介 姓名：张健康 学号：姓名：王晨阳 学号： 姓名：王李宁 学号：摘 要 第五代通信系统是面向2020年以后人类信息社会需求的无线移动通信系统，它是一个多业务技术融合的网络，通过技术的演进和创新，满足未来广泛的数据、连接的各种业务不断发展的需要，提升用户体验。本文首先介绍5G的概念，然后阐述了5G的性能指标，重点对5G的关键技术进行论述，这些关键技术包括新型多天线技术、微波段的使用、同时同频全双工、设备间直接通信技术、自组织网络。关键词 5G；无线通信；关键技术；移动通信技术1引言4G网络部署正在如火如荼地进行时，关于5G的研究也拉开了序
2、幕。2012年，由欧盟出资2700亿欧元支持的5G研究 项 目METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the2020Information Society）1正式启动，项目分为八个组分别对场景需求、空口技术、多天线技术、网络架构、频谱分析、仿真及测试平台等方面进行深入研究；英国政府联合多家企业，创立5G创新中心，致力于未来用户需求、5G网络关键性能指标、核心技术的研究与评估验证；韩国由韩国科技部、ICT和未来计划部共同推动成立了韩国“5G Forum”，专门推动其国内5G进展；中国，工业和信息化部、发改委和科技部共同成立IMT
3、-2020推进组，作为5G工作的平台，旨在推动国内自主研发的5G技术成为国际标准。可见，对于5G的研究，许多国家或组织都在积极地进行中，未来5G技术将使人们的通信生活发展到一个全新的阶段。2无线通信技术概念GSM是第一代的无线通信技术为模拟技术，采用的是频分多址方式，频谱的利用效率非常低下。GSM诞生之初的目的为使用数字技术取代模拟技术，提高语音通话的质量，提高频谱利用效率，降低组网成本。GSM可以说是迄今为止最为成功的无线通信技术，可以实现全球漫游。GSM主要解决的是语音通话问题，而随着对移动数据的要求提高，提出了第三代移动通信技术(3G)。2.1 3G即将成为过去3G是第三代移动通信技术，
4、是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，目前3G存在3种标准：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。中国国内支持国际电联确定三个无线接口标准，分别是中国电信的CDMA2000，中国联通的WCDMA，中国移动的TD-SCDMA，GSM设备采用的是时分多址，而CDMA使用码分扩频技术，先进功率和话音激活至少可提供大于3倍GSM网络容量，业界将CDMA技术作为3G的主流技术，国际电联确定三个无线接口标准，分别是美国CDMA2000，欧洲WCDMA，中国TD-S
5、CDMA。第三代无线通信技术的最大的技术特征是采用了码分多址技术(CDMA)，由于全球各国看到了移动通信技术方面的巨大的利益，提出了互不相关的三个制式的通信技术，导致了全球3G网络的事实上的割裂，全球的漫游的便利程度远不如GSM。3G在发展过程中随着技术的发展提出了多个版本，数据业务速率一直在提高，但是受制于CDMA技术，频谱利用效率会有极限，而且随着4G的到来，其发展最终停止了。2.2 4G 是现在4G第四代移动电话行动通信标准，指的是第四代移动通信技术，外语缩写：4G。该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。4G是集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像
6、等。4G能够以100Mbps以上的速度下载，比目前的家用宽带ADSL（4兆）快25倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。4G网络是一个基于数据业务的网络，最大的优点是数据速率方面的提高。与3G最大的技术上的区别是采用了OFDM编码，频谱利用效率已经有了极大的提高，而且FDD和TDD两种制式仅仅是在空口上有区别，实际上可以认为一种技术。4G网络并不象2G/3G网络一样支持语音通路，采用VoLTE技术之后可以支持语音业务，实际上这是一种IP电话，语音业务的数据量相对于数据业
7、务来说是非常小的，部署VoLTE之后，4G网络的语音业务容量可以说是接近无限的。类似于模拟到数字转换的GSM协议，4G协议有希望取得一样的成功。4G网络的最大的缺点是全球频段众多，现在3GPP划分的4G频段共有44个，频率从700MHz到3.6GHz，导致在设计终端的时候非常复杂，如现在的国内的全网通手机需要支持GSM/CDMA/WCDMA/TDSCDMA/EVDO/TDD-LTE/FDD-LTE，频段多达17个，即使支持如此之多的频段，全球漫游上还是需要使用GSM网络进行。2.3 5G是未来5G（5th-generation）是第五代移动通信技术的简称。5G弥补了4G技术的不足，在吞吐率、时
8、延、连接数量、能耗等方面进一步提升系统性能。它采取数字全IP技术，支持和分组交换，它既不是单一的技术演进，也不是几个全新的无线接入技术，而是整合了新型无线接入技术和现有无线接入技术（WLAN，4G、3G、2G等），通过集成多种技术来满足不同的需求，是一个真正意义上的融合网络。并且，由于融合，5G可以延续使用4G、3G的基础设施资源，并实现与4G、3G、2G的共存。随着用户需求的驱动，对包括传输技术和网络技术在内的5G关键技术提出了极大的挑战。5G将通过更高的频谱效率、更多的频谱资源以及更密集的小区部署等，共同满足移动业务流量增长的需求。在网络容量方面，5G通信技术将比4G实现单位面积移动数据流
9、量增长1000倍；在传输速率方面，典型用户数据速率将提升10到100倍，峰值传输速率可达10Gbps（4G为100Mbps）；同时，端到端时延缩短5-10倍，频谱效率提升5-10倍，网络综合能效提升1000倍。5G通信下手机的无线下载速度最快可达每秒3.6Gbps（千兆，数据传输速度单位，1Gbps = 1024Mbps），较LTE（泛称准4G）的75Mbps（兆）快数百倍。使用该技术下载一部超高清电影文件最多仅需1秒时间，容量较大的3D电影和游戏等亦能实现秒传。5G技术的提出总体来说还是要提高数据通信的速率，同时降低单位数据业务的成本。从目前公布的主要技术，如：密集网络部署，多天线阵列技术，
10、用户速率，发射功率，能耗效率等关键技术和5G本身并无关系，在4G范围之内都可以解决，5G要做的事情还是要解决频谱利用效率的问题。而且4G受到的移动网络开放性带来的问题在5G时代还是同时存在的，密集的网络部署成本很高，而且只解决了点的问题，无法解决面的问题。点的问题还有更为廉价的解决办法就是WIFI，WIFI由于成本的关系，不需要复杂的基站和网络中心等基础设施建设，发展速度大大的快于移动通信技术，802.11ad标准已经可以达到5Gbps的通信速度，而且WIFI诞生之初就是点的解决方案，不存在面的问题，而且由于成本低廉，多部署几个点不是问题。2.4各国研究进展目前全球都已开展5G的研究工作。中国
11、2013年10月，我国启动了国家863计划“第五代移动通信系统研究开发”项目，今年投入1.6亿元人民币，在2020年之前，系统地研究5G移动通信体系架构、无线组网、无线传输、新型天线与射频以及新频谱开发与利用等关键技术，完成性能评估及原型系统设计，进行技术试验与测试。华为打破5G空口数据传输纪录 实测速率超过100Gbps华为2014年2月22日宣布，在高频段无线5G空口环境下实现了高达115Gbps的峰值传输速率。目前为止，华为已经在全球9个地域建立5G的创新研究中心。中兴发布5G白皮书 展示下一代移动远景中兴通讯于2014年2月发布了5G白皮书，其中描述了超大数据流量网络给消费者和企业实现
12、了在广泛的日常生活和工作中可以即时按需接入实时应用和获取信息，将数字世界和物理世界合二为一。欧洲欧盟拨款5000万欧元加速5G技术发展2020年推出成熟标准欧盟委员会副主席Neelie Kroes在移动世界大会(MWC 2013)上宣布，欧盟将拨款5000 万欧元(约合6540 万美元)，加速5G 移动技术的发展，计划到2020 年推出成熟的标准。5G公私合作联盟成立 华为致力于共建全球5G生态圈欧盟及产业界各方共同推动5GPPP Association (5G公私合作联盟）于2014年世界移动通信上正式宣告成立。5GPPP是欧盟重点投入的5G旗舰研究项目群，总投资近7亿欧元用于基础性研究。华
13、为作为5GPPP Association成员，5GPPP欧洲技术平台委员会董事会成员，英国5G创新中心（5GIC）创始成员之一，中国5G研究国家项目的发起者之一，积极参与项目的制定，规划和执行。欧盟与爱立信等5G PPP联盟成员启动全新5G合作项目欧盟委员会携手“5G公私合作”（5G PPP）联盟于2014年2月推出全新5G基础设施公私合作项目，将深入研究未来十年5G通信基础设施的解决方案、架构、技术以及标准等。5G PPP联盟由爱立信、阿尔卡特朗讯、诺基亚通信、Orange 及卫星运营商SES创立，汇聚了电信业、IT业以及科研院所等多方参与者。1.2亿美元 英德将合作研究5G通信英国首相卡梅
14、伦2014年3月9日在汉诺威表示，英国与德国将加强在第五代移动通信技术（5G）和物联网研究上的合作，并共同推进欧洲电信市场一体化。爱立信与两家合作伙伴在瑞典建立5G传输实验室2014年3月，爱立信与瑞典皇家理工学院、瑞典ICT研究机构Acero携手，共同成立了5G传输实验室，三方将采取创新的合作方法，共同推动网络传输基础设施的进一步发展，这也是实现未来5G网络和网络社会的关键一步。爱立信携手纽约大学无线中心共同加快5G移动技术的研发爱立信于2014年4月宣布成为纽约大学无线中心（NYU WIRELESS）联合赞助商，双方将携手合作研究开发5G技术。美国英特尔推动毫米波无线频段5G研究2014年
15、3月，在成功主导将60GHz 导入区域网络（LAN）后，英特尔正推动一项研究，以定义在下一代蜂窝系统中采用毫米波无线频段的提案。据介绍，英特尔正与欧洲两大联盟以及三星（Samsung）等厂商合作，共同开发5G毫米波频谱计划。该公司还在中国与韩国等地追踪有关5G 的最新发展。应对5G通信标准 安捷伦布局高频及天线阵列测试技术在国际电信联盟（ITU）和欧盟5GPPP全力促成下，5G无线通信标准已初具雏形，将采用高达1080GHz频段、250MHz带宽，支持六十四根以上天线阵列技术。由于测试测量技术与新技术的诞生息息相关，当前测试测量厂商都在加紧布局高频及天线陈列测试技术，以应对5G通信标准的研发，
16、以促进5G 通信于2020年正式投入商用。韩国三星称研发5G通信技术 下载速率可达10Gbps2013年5月，三星宣布已经成功开发了第5代移动通信(5G)的核心技术，这一技术预计将于2020年开始部署。测试人员用64个天线组，以28GHz频段进行最快达1.056Gbps的速度进行无线传输，最远传输距离可达2公里，其速度几乎是4G的百倍以上。日本日本电信商示范5G网络计划 比4G快100倍2013年10月，日本移动通信运营商NTT DoCoMo在日本高新技术博览会上正式对外公布了其5G网络计划的相关细节。35G性能指标对于5G需要满足一些什么样的指标，工信部电信研究院选择了体育场、办公室、密集住
17、宅区等场景，结合车联网、视频点播等应用进行实例分析。对每一种场景下的不同应用进行分析，发现无线技术成为应用发展的制约因素。要在不同的场景下使用户获得良好的应用体验，需要满足以下指标4：(1)5G的传输速率在4G的基础上提高10-100倍，体验速率能够达到0.11Gbps，峰值速率能够达到10Gbps；(2)时延降低到4G的1/10或1/5，达到毫秒级水平；(3)设备密集度能够达到600万个/平方公里；(4)流量密度能够在20Tbps/平方公里以上；(5)移动性达到500km/h，实现高铁环境下的良好用户体验。为了满足上述性能指标的要求，使用户获得良好的业务体验，除了以上的这些指标外，能耗效率、
18、频谱效率及峰值速率等指标也是重要的5G技术指标，需要在5G系统设计时综合考虑。45G关键技术LTE-A的技术标准主要由3GPP国际标准化组织制定。业界初步认为在3GPP R14阶段（2016年）将启动5G技术的标准研究工作。5G无线关键技术的主要方向包括3：41 新型多天线技术随着无线通信的高速发展，对数据流量的需求越来越大，而可用频谱资源是有限的。因此，提高频谱利用效率显得尤为重要。多天线技术是一种提高网络可靠性和频谱效率的有效手段，目前正被应用于无线通信领域的各个方面，如3G，LTE，LTE-A等，天线数量的增加，可以保证传输的可靠性以及频谱效率。新型大规模天线技术可以实现比现有的MIMO
19、技术更加高的空间分辨率，使得多个用户可以利用同一时频资源进行通信，从而在不增加基站密度的情况下大幅度提高频率效率；新型多天线技术可以降低发送功率；可以将波束集中在很窄的范围内，可以降低干扰。总之，新型多天线技术无论在频谱效率、网络可靠性还是能耗方面都具有不可比拟的优势，因此在5G时代会普遍使用。限于多天线技术所占用空间大、系统复杂度提升、对设备的外观设计、系统部署能力都带来了极大挑战，因此未来这方面也是研究热点5，6。42 高频段的使用对于移动通信系统而言，在3GHz以下的频段可以很好地支持移动性，有良好的覆盖范围，但目前在这一区间的频谱资源十分紧张。而在3GHz以上的频谱资源非常丰富，如果能
20、够有效利用这一区间的频谱资源，将会极大地缓解频谱资源紧张的问题。因此，高频段的使用将会成为未来发展的趋势，高频段具有许多优点，比如：可用带宽非常充足，设备和天线小型化，天线增益较高。不过高频段也存在着一些不足之处，例如：穿透和绕射能力弱，传输距离短，传播特性不佳等，同时高频器件和系统设计成熟度、成本等因素也需要得到解决7。43 同时同频全双工传统的无线通信技术由于其局限性，并不能实现同时同频的双向通信，这造成了极大的资源浪费，而全双工同时同频技术可以实现上行链路和下行链路同时利用相同的频率资源进行双向通信，理论上可以令资源利用率提升一倍。不过全双工同时同频技术也面临一个技术难题，就是在发送和接
21、收信号的过程中，由于功率差距非常大，会导致非常严重的自干扰，因此首要解决的问题就是干扰消除。另外，还存在着邻小区同频干扰问题，全双工同时同频在多天线的环境下应用难度会更大，需要深入研究7。44终端直通技术（D2D）传统的蜂窝通信系统的组网方式，是以基站为中心实现小区覆盖，而基站及中继站无法移动，其网络结构在灵活度上有一定的限制。随着无线多媒体业务不断增多，传统的以基站为中心的业务提供方式，已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。D2D技术能够无需借助于基站的帮助实现通信终端之间直接通信，拓展网络连接和接入方式。由于短距离直接通信，信道质量高，能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；通
22、过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用；支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。目前，D2D采用广播、组播和单播技术方案，未来将发展其增强技术，包括基于D2D的中继技术、多天线技术和联合编码技术等。8。45 密集网络在未来的5G通信中，无线通信网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向演进。随着各种智能终端的普及，数据流量将发生井喷式的增长。未来数据业务将主要分布在室内和热点地区，这使得超密集网络成为了实现未来5G的1000倍流量需求的主要手段之一。超密集网络将能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频
23、率复用。未来，面向高频段大带宽，将采用更加密集的网络方案，部署高达100个以上小小区/扇区。与此同时，愈发密集的网络部署，也使得网络拓扑更加复杂，小区间干扰已经成为制约系统容量增长的主要因素，极大地降低了网络能效。干扰消除、小区快速发现、密集小区间协作、基于终端能力提升的移动性增强方案等，都是目前密集网络方面的研究热点。4.6新型网络架构目前，LTE接入网采用网络扁平化架构，减小了系统时延，降低了建网成本和维护成本。未来5G可能采用C-RAN接入网架构。C-RAN是基于集中化处理(Centralized Processing)，协作式无线电(Collaborative Radio)和实时云计算
24、构架(Real-time Cloud Infrastructure)的绿色无线接入网构架(Clean system)。C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。C-RAN架构适于采用协同技术，能够减小干扰，降低功耗，提升频谱效率，同时便于实现动态使用的智能化组网，集中处理有利于降低成本，便于维护，减少运营支出。目前，研究的内容包括C-RAN的架构和功能，如集中控制，基带池RRU接口定义，基于C-RAN的更紧密协作，如基站簇、虚拟小区等。5结束语5G是基于第四代移动通信的演
25、进，其未来的发展方向必定以“人的体验”为中心，在终端、无线、业务、网络等领域进行融合以及创新。同时，5G在用户感知、获取、参与和控制信息的能力上带来革命性的影响。5G网未来将会结合蜂窝网和局域网的优点，形成一个更加智能、友好的环境。在另一方面，5G也是以物为基础的通信，如车联网、物联网、智慧城市、新型智能终端，这些应用对网络要求和以人为基础的通信要求有很大区别，如M2M在消息交换的应用中对速率要求不高，时延也不敏感，而不同的物联网场景对网络性能要求也尽不相同，这就要求5G时代网络更加具有“智慧”。随着时间的推进，5G技术将会在2020年以后实现商用，将能满足未来移动互联网业务的飞速发展的需求，
26、为用户带来全新体验。随着研究的不断深入，5G的各项关键技术将逐步明确，并且在未来的几年会进入标准化的研究与制定阶段。中国-机遇与竞争并存按照移动通信标准10年一代的发展规律，5G已经成为全球移动通信领域新一轮技术竞争焦点。欧盟于2012年底启动了全面面向5G的研究计划，日本、韩国、英国也相继立项支持5G的研究与开发工作，并成立了专门的推进组织。2013年初，我国由科技部、工信部等部门牵头成立了相关推进组，正式启动我国5G标准化的研究工作，国内一些企业也已积极开展5G的研发。我国移动通信产业经过3G和4G的发展，技术实力得到了增强。移动通信专家表示，中国移动通信技术在2G跟随、3G突破、4G引领
27、发展之后，在5G研发上，有可能迎来进一步巩固领先位置的大好机会参考文献：1 METISMobile and wireless communications enablers for the2020information societyIn：EU7th FrameworkProgramme Project，https：/wwwmetis2020com2秦飞，康绍丽融合、演进与创新的5G技术路线J电信网技术，2013，9：11-153 Chae-Sub Lee，Knight DRealization of the next-generation networkJCommunications Mag
28、azine，IEEE2005，43，10：34-414 王志勤，罗振东，魏克军5G业务需求分析及技术标准进程J中兴通讯技术2014，20，02：2-45 Frederick WVook，Amitava Ghosh，Timothy AThomasMIMO and Beamforming Solutions for5G TechnologyJMicrowave Symposium(IMS)，2014IEEE MTT-S International：1-46董爱先，王学军第5代移动通信技术及发展趋势J通信技术2014，47，3：235-2407尤肖虎，潘志文，高西奇，曹淑敏，邬贺铨5G移动通信发展趋势与若干关键技术J中国科学2014，44，5：551-5638 IMT-Advanced推进组，3GPP项目组IMT-A D2D技术白皮书1.9.1：2-4.9 NGMNNGMN Recommendation on SON and O&MRequirements，2008http：/wwwngmnorg/uploads/media/NGMN_Recommendation_on_SON_and_O_M_Requirements专心-专注-专业
