文档介绍：洲的5G白皮书(7)——面向5G的十五大潜在候选技术
供稿人:李远东 供稿时间:2014-12-31
笔者注:本专题的前6篇文章分别介绍了美洲5G白皮书的总体情况及对5G市场驱动因素及应用场景、终端用户对未来5G的六大相关需求、移动通信基础网络运营商对未来5G的十大相关需求、4G架构的缺陷及未来5G可增强改进的6大方向、对未来5G的政府规制监管的考量这几个方面的研究成果,接下来就应该是如何来达到这几个方面目标的问题:5G的关键技术有哪些?研究现状如何?为此,本文紧接着介绍美洲5G白皮书中关于面向5G的十五大潜在候选技术的研究成果。
1、总览
本部分对北美移动通信业界的研究成果——可用以满足本白皮书前面所述及的5G市场驱动因素、应用场景、相关需求、政府规制考量等需求的未来5G移动通信的关键技术进行详细介绍。具体是大规模MIMO(Multiple Input and Multiple Output,多输入及多输出)、基于厘米波(低频段)以及毫米波(高频段)的无线接入传输技术、新的波形、无线频谱共享接入、小区间高级协调、同时收/发(全双工移动通信)、多种无线接入技术的整合与管理、设备间直接通信、高效的小数据传输、无线回传/接入集成、网络灵活性增强、移动灵活性增强、基于场景感知的组网、ICN(Information working,信息中心网络)、移动网络优化。以下进行具体的介绍。
2、大规模MIMO技术
目前,无线移动宽带通信系统中的信号基带处理技术已经相当成熟,加之综合采用先进的信道编码、差错控制以及信道调制等技术,当前的移动通信系统性能已经逼近香农理论极限,所以,单纯地通过基带处理技术很难再大幅地提升移动通信网络的性能。从1996年开始,全球范围内的移动通信业界掀起了对多天线技术(MIMO)研究与应用的“热潮”。MIMO是一种可以在不增加无线频谱的前提下提高无线移动接入链路频谱效率、提高链路可靠性并增大系统容量的著名技术,通常要在信号发射端与接收端部署多副天线,而且基站发射天线的数量要高于终端接收天线的数量。基站的多幅/多组天线可以采用相同的时间以及频率资源来同时为多个移动通信终端用户提供接入服务,通过对空间的复用,显著地提升系统容量。
 
此外,MIMO技术效用的正常发挥,需要系统实时预先感知基站发射端天线与移动通信终端接收天线之间的无线信道的状态及状态变化,因此,就需要采取适当的预编码技术来降低甚至消除传输给不同终端用户的信号之间的相互干扰。在目前已获得大规模商用的4G移动通信标准中,就包括了MIMO技术(包括单用户MIMO以及多用户MIMO技术。这是4G区别于2G与3G的重要特点之一,突破了传统单天线信道的容量极限,有效第提高了系统的频谱效率)。
 
3GPP的4G LTE技术规范R8版本所定义的多天线MIMO技术,支持下行信道的4天线4层发送以及上行方向的单天线发送,具体包括发射分集、开环空分复用、闭环空分复用、波束成形等技术。而在后续的R9版本中,MIMO下行方向引入了双流波束成形技术。R10版本对多天线技术进行了进一步增强:最多可支持下行信道8天线8层发送以及上行信道4天线4层发送,在此情况下,下行信道的峰值频谱效率可提高至30 bit/(s·Hz),上行信道的峰值频谱效率可提高至15 bit/(s·Hz)。
 
目前,天面资源日益受限、天线安装难度大,因此,在MIMO技术实际的工程部署方面,由于涉及到移动通信基础网络运营商天面的工程改造,就需要解决移动通信系统增益和多天线的体积及重量问题(笔者注:可查阅上海情报服务平台发布的《美洲的5G白皮书(5)——4G架构的缺陷及未来5G可增强改进的6大方向》一文第5部分),3GPP在制订LTE标准的过程中也考虑到了相关问题。全球主流的移动通信基础网络运营商共同向3GPP提交了关于天线形态的建议分为“小间距”()与“大间距”两钟(所选取的天线间距为波长的4~10倍)。
 
由于天线尺寸的限制,目前已商用的4G移动通信系统的下行波束成形和上行的分集接收天线数都被限制为最多8个。在多用户MIMO技术理念的基础之上,“大规模MIMO”技术在移动通信基站侧大量地增加了天线的数量(由于增加天线数量具有较大幅度地提升移动通信系统性能的潜力,“进一步大规模地增加天线数目”就成为全球业界对于下一代移动通信系统的重点研究方向),使其远远多于在相同的时间及频率资源内提供接入服务的终端用户数,从而获得更高的效益。比如,相关试验结果表明,如果以基站侧成百上千的天线同时为数量上仅几十位的用户提供无线移动宽带接入服务,无线频谱效率就可以提高5~10倍,而且即使在小区的边缘,系统也能维持很高的吞吐量(笔者注:这是2010年时发表于IEEE T