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5G移动通信技术发展现状及展望.pdf

发布时间：2022-05-31 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.93M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    《移动通信》课程论文 5G 移动通信技术发展现状及展望 院 系：电气与电子工程学 院 专 业：通信工程 班 级：电 1605-2 学 号：20163224 姓 名：谭鑫淼 任课教师：马月红 二○一九年十一月
    目录 一 5G 移动通信技术概述 ........................................................................................ 1 二 5G 移动通信技术发展现状 ................................................................................ 1 三 5G 关键技术 ........................................................................................................ 2 3.1 智能化技术 ...................................................................................................... 2 3.2 多天线传输技术 .............................................................................................. 3 3.3 同时同频全双工技术 ...................................................................................... 4 3.4 新型网络架构技术 .......................................................................................... 4 3.5 密集网络技术 .................................................................................................. 5 3.6 D2D 直接通信技术 .......................................................................................... 6 3.7 高频段传输技术 .............................................................................................. 6 四 移动通信技术的发展趋势 .................................................................................. 7 4.1 万物互联 ........................................................................................................... 7 4.2 生活云端化 ....................................................................................................... 7 4.3 智能交互 ........................................................................................................... 8 五 结束语 .................................................................................................................. 9 参考文献 .................................................................................................................... 9
    《移动通信》课程论文 5G移动通信技术发展现状及展望 作者：谭鑫淼 学号：20163224 班级：电1605-2 摘要：适应未来海量移动数据的爆炸式增长，加快新业务新应用的开发,人们对移动通 信有了更高层次追求，因此移动通信势必会发展到5G。5G作为网络第五代的传输网络，其峰 值的传输速度理论上可以达到二十Gb每秒。可以看出5G移动通信是现代科技的前沿，也是现 代通信研究的重点方向。目前，如何将现有技术和多种潜在的新技术进行融合以实现5G网络 成为下一步的研究与发展重点。5G移动通信网络凭借自身的多种优点，可以有效的弥补各种 移动通信技术，安全性较低，或者通信速率较慢的问题，逐步成为一种传输速度非常快，而 且能带来清晰图像技术的传统方式，它的通信效果更优于传统的通信技术，也有本身独特的 特点，在应用趋势方面有其特殊性。本文将简要阐述5G的技术发展，介绍5G的概念、发展现 状、以及终端用户对5G的相关需求；然后，重点阐述5G在无线网络方面具有发展前景的几大 关键技术，包括：智能化技术、多天线传输技术、同时同频全双工技术、新型网络架构技术、 密集网络技术、D2D直接通信技术、高频段传输技术等。给出了每种技术的基本概念或原理， 以及应用到5G网络时潜在的研究问题。最后概述了未来5G移动通信网络未来发展的趋势及 应用场景等。 关键词：移动通信；5G；关键技术；发展现状 一 5G 移动通信技术概述 随着智能设备爆炸式地增长以及用户需求的不断增加，未来移动通信网络 不仅要解决大量的设备连接需求，还要处理好大流量高速传输，解决在虚拟现实 、智能穿戴、智能家居、智能交通、远程医疗等各个领域的通信问题。而当前的 4G网络很难满足这些需要，因此5G技术应运而生。2013 年，我国三部门联合设 立 IMT-2020 推进组，开展对5G的研究，现今5G已经在部分发达地区开始使用 并在逐渐扩展。 从本质上来说，5G并没有跳出香农定理，可以将其看成4G的全面扩展和延伸 ，5G使用户的体验速率从原来Mbps量级上升到Gbps量级。与4G相比，5G更加注重 万物互联，其服务的对象从人与人的互联扩展到人与物、物与物的互联。 二 5G 移动通信技术发展现状 5G网络当前还处在研究完善阶段，虽然在部分地区已开始使用，但由于技术 不够成熟、成本高等问题，在短时间内其难以大面积覆盖、推广和使用。 相比之前的通信技术，5G则像是前几代通信技术的一个结合体。作为新一代 的移动通信技术，其覆盖性、灵活性、安全性等都有着显著的提升，有效解决了 4G网络中存在的许多问题。5G网络以其高的频谱效率和先进的通信技术，能极大 满足现阶段人们对于移动通信的需要，从而构建一个可靠、稳定、万物互联的网 络社会。 1
    《移动通信》课程论文 5G的主要特征表现为如下几个方面：（1）网络耗能明显减少，有效节约了能 源；（2）频率利用率极大提升；（3）时延缩短近十倍，可靠性极大提高；（4）用 户速率大大提高，体验良好；（5）吞吐数据能力比较强。 三 5G 关键技术 我国IMT-2020（5G）推进组发布的5G概念白皮书提到，综合5G关键能力与核 心技术，5G概念可由“标志性能力指标”和“一组关键技术”来共同定义。其中 ，标志性能力指标为“Gbps用户体验速率”，一组关键技术包括智能化技术、多 天线传输技术、同时同频全双工技术、新型网络架构技术、密集网络技术、D2D 直接通信技术、高频段传输技术。 3.1 智能化技术 信息化快速发展的今天，高成本、低效率的工作是当前网络运行发展中普遍 存在的问题。当前运用十分成熟的 4G 网络数据信息的收集工作效率较为滞后 ，主要采用的用户投诉记录、操作维护中心（OMC）的报告、路测（DT）、定点测 试（CQT）、自动测试设备 ATU，数据平台测试 MDT 等方式获取信息，但是上述 的信息收集方式难以满足于 5G 网络的需求。需要改善上述信息收集的方式， 提升网络的工作效率，降低网络运行发展的成本，可以通过 5G 网络自动化的 发展渠道加以实现。而为了实现 5G 网络自动化发展，需要全面了解无线域、用 户域以及网络域的网络情况，只有详尽的掌握上述数学信息，才能更好的实现 5G 网络自动化发展。 5G 网络智能化服务中，需要根据用户以及业务类型的需求制定有针对性的 服务。5G 网络切片的发展可以满足于上述要求。而且为了保证 5G 网络切片可 以灵活的被运用，在管理过程中需要将智能化技术充分的利用。 图 1 智能 5G 网络切片框架图 2
    《移动通信》课程论文 对于5G通信基站而言，将智能化技术与5G通信技术相结合是大势所趋，将智 能技术和5G通信技术进行融合，能有效提高大型服务器运行过程中的稳定性，再 与基站进行有效连接实现交换机网络，连接的方法主要就是交换机网络和具备 数据减缓功能的路由器，智能化技术中的云存储技术具有非常明显的优势，通过 5G网络云存储能够为用户提供更为广阔的存储空间， 5G移动通信的中心网络便 是云计算平台。宏基站应具备大数据处理以及云存储功能，可以快速处理一些时 效性较强的数据。基站不论是数量还是形态都比较多，能够在不同的频段处理不 同的业务，具备着多样化的连接方式以及天线，因此在进行智能化技术应用过程 中，需要合理划分频段，并针对市场需求开通不同的服务业务。 3.2 多天线传输技术 天线辐射电磁波的基本原理为：高频电流形成变化电场， 而在电场的垂直 方向会形成变化的磁场，进而再形成变化电场，构成一个变化的电磁场，电磁场 的传播即为电磁波。出于客观条件的限制，功率、波长和基站不能随意调整，提 高信号接收强度的唯一途径便是增大天线增益，最有效的方法是增加天线数量。 多天线传输技术是指对原来的天线系统进行优化列阵，应用有源天线阵来形成 3D-NIMO技术，然后再通过毫米波技术的优势.大幅度提升无线信号的覆盖范围 和整体性能。经过了前几代通信技术的发展后，其频谱利用率得到了极大的提升 ，与4G相比，5G采用更大规模的Massive MIMO，天线数目进一步增加，优势巨大 ，通过运用大规模MIMO技术，能够大幅度提高无线频率效率，可以扩大网络的覆 盖面积，运营商能够充分利用现有的频谱资源、站址资源。在原来MIMO技术的基 础上，3D-MIMO技术增加了一个新维度，即垂直维度，进而在空间中，波束得以 三维赋型，能够有效预防出现互相 干扰现象具体来说有以下几个方面：①信道 容量得到了提升，其随天线数量的增加而增加：②提供的服务种类数量增加，通 过对天线进行专门的设置，能够为用户提供丰富的服务，进而满足用户的各种需 求：③空间的分辨频率获得了提升，进而对无线传播技术进行了有效的优化处理 ：④避免传输过程受到外界的影响，提升了技术应用的有效性。 图 2 多天线预分配协作 3
    《移动通信》课程论文 3.3 同时同频全双工技术 随着移动智能设备与移动互联网应用的快速发展，移动数据业务急剧增长， 给频谱资源紧缺的无线通信系统带来了巨大挑战。全双工技术允许同时同频对 信息进行收发，理论上能使频谱效率提升一倍，但是自干扰的引入限制了全双工 技术的发展。随着自干扰消除技术能力的提升，使全双工技术在5G通信系统中的 应用成为可能。具体来说，同时同频全双共技术是在一个通信信道上，同时双向 进行信号的发送和接受，极大提高了通信效率。其主要通过双工节点发射机进行 信号干扰的消除，既需要接受另一个节点所发射的同频信号，同时还得发射信号 机中的信号，以此来促使频谱效率进一步的提升。简单的来说，其就像马路上的 车流一样各行其道互不影响，发送和接受信息两个过程互不干扰，有效提高频谱 利用率，对通信信道进行最大限度的利用。较传统手段而言，同时同频全双工技 术的频谱利用率高，灵活性强。全双工无线通信系统干扰控制技术，能有效缓解 全双工系统中同道干扰，在不影响蜂窝通信需求的同时有效提升整个通信系统 的性能，为全双工技术在无线通信系统中的应用设计提供了理论支撑，具有一定 应用价值。 图 3 同时同频全双工技术 3.4 新型网络架构技术 根据未来移动通信业务的需求，5G网络架构技术的特点应该包含着易维护、 偏平化、低成本以及低时延等。现如今，我国对于新型网络架构技术的研究主要 集中在云架构和CRAN这两个方面。其中的云架构主要就是在基于云计算大规模 协作的无线网络架构，而CRAN则是一种新型的无线接入网架构。这两者都是属于 当前业界最为主要的研究方向。 4
    《移动通信》课程论文 图 4 CRAN 架构 3.5 密集网络技术 此技术主要用来解决在异构网络中存在的布置问题，通过“密集化”无线 网络基础设施部署，可得到更高的频率复用率；其能够让5G移动通信的信息流动 速度获得质的飞跃，甚至可以达到4G通信速度的千倍以上，从而满足人们对于高 通信速度的要求。密集网络技术主要是根据用户对通信速度需求的实际情况，在 宏基站中部署大规模的天线，这样能够获得更大的室外空间，并且不断布置更多 密集网络，以此来更好的满足室内外的数据需求，提高5G移动通信的灵活性与覆 盖面积，有效的减少网络延迟为用户提供高质量的通信服务。主要应用方式为： 利用小区分裂的方式，将节点之间的距离半径缩短，分裂之后空间容纳量发生改 变，如若想要使容纳空间增加，则需要加入更多的节点数量，进而使节点密度显 著提升。据估计，在节点密度方面，未来将会超过现在的10倍以上，节点数与用 户激活的数量相同，才能够使数据在此网络环境下得到实现更加快速的传输。总 而言之，密集网络技术也将成为提升数据流量的重要技术。 图 5 密集网络 5
    《移动通信》课程论文 3.6 D2D直接通信技术 D2D技术是指通信网络中近邻设备之间直接交换信息的技术。通信系统或网 络中，一旦D2D通信链路建立起来，传输数据就无需核心设备或中间设备的干预 ，这样可降低通信系统核心网络的数据压力，大大提升频谱利用率和吞吐量，扩 大网络容量，保证通信网络能更为灵活、智能、高效地运行，为大规模网络的零 延迟通信、移动终端的海量接入及大数据传输开辟了新的途径。利用D2D直接通 信技术，用户能够在5G技术的支持下，利用不同的设备完成多个用户之间的通信 ，实现多个用户的实时通讯。同时，还能够促进其他技术作用的发挥，例如频谱 资源等，进而带动了相关产业的发展，为5G通信技术的顺利实施提供了可靠保障 。D2D 网络的业务类型多为低数据率、低占空比，并有不同的延时要求。其终端 可能是很低成本、低耗电、低移性的终端，使用地域、覆盖面积也比手机更为广 泛，甚至在单位面积内可能存在“海量”的 D2D 终端。目前，标准化组织3GPP 已经把D2D技术列入新一代移动通信系统的发展框架中，成为第五代移动通信的 关键技术之一。目前需要解决的一些内容有：网络架构、站点功能与接口协议、 接入负荷控制方案和设计无线侧随机接入的负荷控制算法D2D设备采用基于竞 争的随机接入方式，当设备数量增多时产生的碰撞冲突可能导致传输失败或者 数据丢失。所以需要引入负荷控制机制解决在系统负荷突然增大时剧烈的碰撞 冲突问题。 图 6 D2D 系统模型 3.7 高频段传输技术 5G网络的主要目的是为了解决现阶段对信息传输方面提出的新要求，通常 来讲，在移动通信网络中，系统的频波段将低于3GHz，但是目前来讲，该频率已 经难以满足现阶段的需求。随着智能手机的普及，人们利用手机看视频、下载文 件等都需使用流量，为了充分满足人们对高速网络的需求，提高网络的传输效率 6
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