浅析第5代移动通信面临的矛盾和解决方案

浅析第5代移动通信面临的矛盾和解决方案摘要：本文主要介绍5代移动通信面临的问题，主要矛盾是5G的发展与频谱资源短缺以及频谱资源分散，以及用户的需求跟技术的矛盾。通过从增加基站的密度，使小区覆盖更小，复用更多；提高无线技术能力来增强频谱利用率；增加移动通信频谱，提高业务带宽等方面入手能够缓解一定的压力，但是并不能从根本上解决问题。首先频谱短缺是不争的事实，根据香农定理，频谱利用率的增加毕竟有限。本文从频谱复用的观点出发来解决目前所面临的问题，通过研究FD-MIMO技术，效率问题以及频谱复用等方面寻求出路，并对通信的发展做出展望。关键词：频谱利用率FD-MIMO香农定理SimplelyAnalysetheContradictionsof5GandIt’sSolutionsWuXuejiaoThemodernmobilecommunicationtechnologyAbstract:Thispapermainlyintroducesfivegenerationofmobilecommunicationsarefacedwiththeproblem,Principalcontradictionisthedevelopmentof5gandspectrumresourcesshortageandspreadspectrumandthecontradictionoftechnicalanduser'sdemand.Throughfromincreasingthedensityofbasestation,districtcoversasmaller,morereusable;Improvetheabilityofwirelesstechnologytoenhancespectrumefficiency;Increasemobilespectrum,improvebusinessbandwidthandsoonaspectstorelievethepressure,butcannotfundamentallysolvetheproblem.Firstofall,Shortageofspectrumisindisputablefact.Accordingtotheshannontheorem,theincreaseofthefrequencyspectrumutilizationislimitedafterall.Inthispaper,fromtheviewpointofspectrumreusetosolvetheproblemsfacingatpresent,BystudyingtheFD-MIMOtechnology,efficiencyandspectrumreuseandsoontoseekawayout.Andmakeprospectforthedevelopmentofthecommunication.Keywords:SpectralEfficencyFD-MIMOShannonTheorem1、研究背景移动通信已经深刻地改变了人们的生活，但人们对更高性能移动通信的追求从未停止。为了应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，第五代移动通信（5G）系统将应运而生。5G将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统。5G将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴；5G将拉近万物的距离，通过无缝融合的方式，便捷地实现人与万物的智能互联。5G将为用户提供光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化，同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最终实现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景。移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，将为5G提供广阔的前景。移动互联网颠覆了传统移动通信业务模式，为用户提供前所未有的使用体验，深刻影响着人们工作生活的方方面面。面向2020年及未来，移动互联网将推动人类社会信息交互方式的进一步升级，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清(3D)视频、移动云等更加身临其境的极致业务体验。移动互联网的进一步发展将带来未来移动流量超千倍增长，推动移动通信技术和产业的新一轮变革。图2移动互联的美好愿景物联网扩展了移动通信的服务范围，从人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。面向2020年及未来，移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等将会推动物联网应用爆发式增长，数以千亿的设备将接入网络，实现真正的“万物互联”，并缔造出规模空前的新兴产业，为移动通信带来无限生机。同时，海量的设备连接和多样化的物联网业务也会给移动通信带来新的技术挑战。随着智能终端的普及以及互联网业务的飞速发展，到2020年，移动数据业务流量将增长1000倍。5G将引入更加先进的技术，来实现新的更高的目标要求。移动数据业务以每年翻一番的速度递增，我们需要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来共同满足移动数据流量爆炸增长的需求。随着用户需求的多样，视频音频信息越来越受到人们的欢迎，高清晰度、大容量的图像业务语音业务需要更高的数据传输速率。用户体验也是不可忽略的一个方面，我们在实现高数据流量高速率的同时，应达到固定Web接入业务的体验，满足实时性的要求。2、第5代移动通信面临问题2.1业务和用户需求问题移动互联网主要面向以人为主体的通信，注重提供更好的用户体验。面向2020年及未来，超高清、3D和浸入式视频的流行将会驱动数据速率大幅提升，例如8K（3D）视频经过百倍压缩之后传输速率仍需要大约1Gbps。增强现实、云桌面、在线游戏等业务，不仅对上下行数据传输速率提出挑战，同时也对时延提出了“无感知”的苛刻要求。未来大量的个人和办公数据将会存储在云端，海量实时的数据交互需要可媲美光纤的传输速率，并且会在热点区域对移动通信网络造成流量压力。社交网络等OTT（Over-The-Top）业务将会成为未来主导应用之一，小数据包频发将造成信令资源的大量消耗。未来人们对各种应用场景下的通信体验要求越来越高，用户希望能在体育场、露天集会、演唱会等超密集场景，高铁、车载、地铁等高速移动环境下也能获得一致的业务体验。物联网主要面向物与物、人与物的通信，不仅涉及普通个人用户，也涵盖了大量不同类型的行业用户。物联网业务类型非常丰富多样，业务特征也差异巨大。对于智能家居、智能电网、环境监测、智能农业和智能抄表等业务，需要网络支持海量设备连接和大量小数据包频发；视频监控和移动医疗等业务对传输速率提出了很高的要求；车联网和工业控制等业务则要求毫秒级的时延和接近100%的可靠性。另外，大量物联网设备会部署在山区、森林、水域等偏远地区以及室内角落、地下室、隧道等信号难以到达的区域，因此要求移动通信网络的覆盖能力进一步增强。为了渗透到更多的物联网业务中，5G应具备更强的灵活性和可扩展性，以适应海量的设备连接和多样化的用户需求。无论是对于移动互联网还是物联网，用户在不断追求高质量业务体验的同时也在期望成本的下降。同时，5G需要提供更高和更多层次的安全机制，不仅能够满足互联网金融、安防监控、安全驾驶、移动医疗等的极高安全要求，也能够为大量低成本物联网业务提供安全解决方案。此外，5G应能够支持更低功耗，以实现更加绿色环保的移动通信网络，并大幅提升终端电池续航时间，尤其对于一些物联网设备。2.2、频谱资源问题移动通信市场的发展对未来频谱资源的迫切需求，意在提议通信产业界认识到我们所面临的问题，并对移动通信未来10年发展所需要的频率资源的开发和利用进行积极的推动。目前的移动通信网络在应对移动互联网和物联网爆发式发展时，可能会面临以下问题：能耗、每比特综合成本、部署和维护的复杂度难以高效应对未来千倍业务流量增长和海量设备连接；多制式网络共存造成了复杂度的增长和用户体验下降；现网在精确监控网络资源和有效感知业务特性方面的能力不足，无法智能地满足未来用户和业务需求多样化的趋势；网络运营商如何满足人们日益增长的业务需求，满足数据业务爆炸式的发展要求呢，途径无非有几种可能：（1）增加基站的密度，使小区覆盖更小，复用更多；（2）提高无线技术能力来增强频谱利用率；（3）增加移动通信频谱，提高业务带宽。然而，无线频谱从低频到高频跨度很大，且分布碎片化，干扰复杂。根据频率管理有关部门的数据统计，我们不难分析，如果按照4G标准的LTE推广5G，目前频谱是不够用的。图4列举了截止到WRC-07在ITU确认的IMT频段在各个地区的使用情况，包括1GHz以下的450MHz频段、UHF频段，3GHz以下的1.8GHz、1.9GHz、2GHz、2.3GHz、2.6GHz频段，以及5GHz以下的3.5GHz频段等。全球统一的IMT频谱使用对于通信产业界具有非常重大的意义，规模经济所带来价格优势有利于生产制造企业降低成本、缩短产品的上市时间，同时也满足了终端用户全球漫游、享受低价格产品所带来的好处。对于运营商来讲，统一的频谱使用可以满足跨境协调及互操作性要求，将非常有利于保证频谱资源的有效使用。3、问题的解决方案应对这些问题，需要从如下两方面提升5G系统能力，以实现可持续发展。在网络建设和部署方面，5G需要提供更高网络容量和更好覆盖，同时降低网络部署、尤其是超密集网络部署的复杂度和成本；5G需要具备灵活可扩展的网络架构以适应用户和业务的多样化需求；5G需要灵活高效地利用各类频谱，包括对称和非对称频段、重用频谱和新频谱、低频段和高频段、授权和非授权频段等；另外，5G需要具备更强的设备连接能力来应对海量物联网设备的接入。在运营维护方面，5G需要改善网络能效和比特运维成本，以应对未来数据迅猛增长和各类业务应用的多样化需求；5G需要降低多制式共存、网络升级以及新功能引入等带来的复杂度，以提升用户体验；5G需要支持网络对用户行为和业务内容的智能感知并作出智能优化；同时，5G需要能提供多样化的网络安全解决方案，以满足各类移动互联网和物联网设备及业务的需求。为实现支持高速、稳定、低延迟等要求，5G系统有必要采用新型的网络架构，引入大规模MIMO技术、同时同频全双工、CA技术。从目前的异构网络发展趋势来看，5G网络将会是一个高密度新型分布式协作与自组织组网，各个异构系统之间采用无线资源联合调配技术到达资源高效利用，以提升系统性能。这样的新型网络架构及其相应的关键技术，给仿真带来了极大的挑战。一方面，从内存需求和仿真速率来看，在4G仿真系统中，多层异构网络的引入已经使得仿真内存需求很大，在5G系统中大规模MIMO技术的引入将带来参数配置复杂、中间数据产生与储存量大、仿真时间较长、用户交互信息多、评估指标方式方法多样等难点；另一方面，新型网络架构的引入，需要对传统的固定网络架构进行修改，会影响到系统干扰分布情况，同时分布式协作处理技术、自组织网络等关键技术的引入也需要对4G系统下的仿真模块进行修改，对仿真系统的建模带来挑战。3.1、全维度MIMO—探索MIMO技术飞速增长的移动数据业务对下一代长期演进系统（LongTermEvolution,LTE）或5G提出了更高的要求，同时也带来了巨大的技术挑战。为此，第三代合作伙伴计划（theThirdGenerationPartnershipProject,3GPP）已经着力制定了诸如载波聚合（CarrierAggregation,CA）、协作多点传输（CoordinatedMulti-pointTransmission/reception,CoMP）、增强型MIMO（EnhancedMIMO）、无线中继（Relay）、自组织网络（Self-organizationNetwork，SON）等技术标准以求提供更高的频谱效率和更优的用户体验。在这些技术中，CoMP被认为能够较大的提升系统吞吐量和边缘用户的吞吐量，尤其是边缘用户的吞