通信信号处理
第一次作业
1 概述5G无线通信技术的发展概况并与4G无线通信技术进行比较
1.1 5G无线通信技术概念
5G无线通信技术实际上就是无线互联网网络（见图1），这个技术将支持OFDM（正交频分复用）、MC-CDMA（多载波码分多址）、LAS-CDMA（大区域同步码分多址）、UWB（超宽带）、NETWORK-LMDS（区域多点传输服务）和IPv6（互联网协议）。事实上，IPv6是4G和5G技术的基础协议。5G技术是一个完整的无线通信系统，没有任何限制，所以我们将5G称为真正无线世界者WWWW（Worldwide Wireless Web，世界级无线网）。
1.2 5G无线通信技术发展概况
《5G无线通信技术发展跟踪与分析》一文将5G的关键技术分为4个类别进行阐述，即新型多天线传输技术、高频段传输关键技术、密集网络关键技术和新型网络架构。 1.2.1 新型多天线传输技术
随着通信产业的发展，频谱资源日益稀少，因此，提高频谱利用率成为未来通信技术发展的重要方向。在这种背景之下，基于大规模天线阵列（LSAS：Large Scale Antenna System）和大规模MIMO（Massive MIMO）等通信技术被相继提出。其中，利用LSAS技术可以带来巨大的阵列增益和干扰抑制增益，使小区总的频谱效率和边缘用户的频谱效率得到极大的提升。同时，LSAS技术还可以实现对空间位置的划分，利用空分多址，同时服务多个用户。 1.2.2 高频传输技术
由于各类无线通信和无线应用的快速发展，各国的低频段频谱资源都已经十分紧张，很难找到适合5G技术应用的新频段。同时，为了保证5G技术所需要的更大传输带宽，各种射
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频器件也势必要调整到更好的工作频率上。因此，未来5G技术须向高频段扩展，尤其是毫米波频段，该频段频谱资源丰富，具有连续的大带宽，可以满足短距离高速传输的需求。
但是，由于电磁传播的特性，高频传输目前还面临很多实际的困难。由于空气的吸收作用，频段越高的电磁波路径损耗越大。例如，60GHz的电磁波路径损耗要比5GHz的电子波高出20多个dB。同时，高频段传输以直射路径为主，绕射能力较差，当基站与用户间的直视径受到阻挡，传输性能将显著下降。另外，高频段器件的技术难度较大，相关工艺还不成熟，因此，高频段相关器件较少且价格较贵，给高频段通信带来很大的技术挑战。 1.2.3 密集网络技术
为应对未来持续增长的数据业务需求，采用更加密集的小区部署将成为 5G 提升网络总体性能的一种方法。通过在网络中引入更多的低功率节点可以实现热点增强、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量的目的。但是，随着小区密度的增加，整个网络的拓扑也会变得更为复杂，会带来更加严重的干扰问题。因此，密集网络技术的一个主要难点就是要进行有效的干扰管理，提高网络抗干扰性能，特别是提高小区边缘用户的性能。 1.2.4 新型网络架构
未来的 5G 网络必将是多种网络共存的局面，融合多种通信方式将成为一个显著的特点。由于移动通信网络的演进特性，未来的网络将包括 3G、4G以及 WLAN 网络等多种制式，是无缝、异构、融合的网络。因此，未来 5G 将形成蜂窝与 Wi-Fi 融合组网的新型网络架构，可以有效利用非授权频段实现业务分流。
另一方面，随着移动通信业务量的不断增长，基站所承担的业务量和计算量也越来越大。为了减轻基站压力，提高传输速度，D2D（Device to Device）网络的概念被提出。目前，在 LTE Rel-13 中已经开始讨论 D2D 技术，未来也将成为 5G 中的关键技术。D2D 技术即终端直通技术，指终端之间通过复用小区资源直接进行通信的一种技术。D2D 技术无需基站转接而直接实现数据交换或服务提供（如图 6 所示），可以有效减轻蜂窝网络负担，减少移动终端的电池功耗、增加比特速率、提高网络基础设施的鲁棒性。然而，在蜂窝通信系统与 D2D 通信系统融合的系统中，网络需要决定何时启用 D2D 通信模式，以及 D2D 通信如何与蜂窝通信共享资源，是采用正交的方式，还是复用的方式，是复用系统的上行资源，还是下行资源，这些问题也增加了 D2D 辅助通信系统资源调度的复杂性。 1.3 5G无线通信技术与4G通信技术的比较 1.3.1 LTE-Advanced：4G和5G之间的桥梁
LTE-Advanced（简称LTE-A）是原始LTE技术朝着更高带宽的演变，承诺带来三倍于基
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本LTE网络的速度。
LTE-A主要由5个部分所组成，分别是载波聚合、提升的的MIMO、协调式多点（COMP）、中继站、异构网络或HetNet。
1.3.2 4G与5G网络的区别和相似之处
载波聚合或新道具和是一种传输方案，可允许来自不同频谱的最多20个信号结合成单独一股数据流。接下来，LTE-A会把MIMO的天线配置提升至8x8，以增加使用波束转向技术的无线电流的数量。
随后，协调式多点技术可让移动设备从多个单元（Cell，指代信号覆盖的地理区域）发送和接收无线电信号，以减少来自其他单元的串扰，并确保单元边缘也能拥有最优性能。韩国运营商SK Telecom在2012年夏天率先推出了世界首个LTE-A网络，他们当时就使用了CoMP的一种早期形式。
LTE-A设置中的中继是一种在单元边缘使用多跳通信的基站。它会接收较弱的信号，然后增强其质量并重发。
HetNet是最后也是最关键的一个环节，这是一套由大小单元所层叠的多层系统，可产生廉价带宽。作为蜂窝架构的逐步演变，HetNet的复杂程度要高得多。在这套网络下，小单元会在蜂窝系统当中添加数百甚至数千个接入点。
值得注意的是，虽然LTE-A标准架起了4G和5G之间的桥梁，从很多方面来说，HetNet的概念可以说是LTE-A和5G网络之间的粘合剂。这也就是为什么那么多的无线产业观察者会把5G网络称作是LTE-A的增强形式。
下一代移动通信网络（NGMN）联盟对5G的定义如下：
“5G是一个端对端的生态系统，可带来一个全面移动和联网的设备。通过由可持续商业模式开启的、具备连贯体验的现有和新型的用例，它增强了面向消费者合作者的价值创造。”
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