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5G移动技术：一项调查
摘要：所有新的5G移动技术预计将在2020年投入使用。因此，了解5G技术的研究及开发的发展方向是非常重要的。本文对5G的发展历程进行了全面的综合分析，并强调了一些该领域的显著特点，即灵活性，可访问性和云技术服务产品。这些将确保未来的移动通信技术成为全球通信的主要协议。
关键词：第五代通信技术; 云技术服务; 高效节能; 关键绩效指标; 无线电接入网络
- 介绍
在过去二十年，全球蜂窝通信技术从2G全球移动通信系统（GSM）迅速发展到4G先进长期演进系统（LTE-A），主要原因是处于对更多的带宽和更低的延迟的需求。虽然吞吐量是实际的数据传输速率，但延迟在很大程度上取决于每个节点数据流经过的处理速度。结合吞吐量相关的性能增强功能，在开发新的移动技术时，还会考虑如抖动，信道间干扰，连接性，可扩展性，能效以及与传统网络的兼容性等一些联合参数。
当技术从2G GSM推进到3G时通用移动电信系统（UMTS），更高的网络速度和更快的下载速度使得实时视频通话实现。 LTE和随后的LTE-A提供了增强的网络容量并减少了应用服务器访问的延迟，使得可以随时随地无线访问三重播放业务（数据、语音、数字视频）。到了4G才真正的构成了移动宽带。尽管3G是第一个移动宽带标准，但它最初是处于多媒体和数据考量为语音而设计的。而2G则是第一个旨在提高覆盖范围的数字移动语音通信标准。数据速率也是从2G的64kbps提高到3G的2Mbps和4G的50-100Mbps。5G不仅可以提高移动网络的数据传输速度，还可以提高网络的可扩展性、连接性和能效。据推测，到2020年将有500亿台设备连接到全球IP网络，这会是一个大挑战。在真正的“网络社会”中，依靠5G网络的家电和关键商业机器的远程控制操作将可能实现零延迟，通过使用移动设备实现对机器的实时控制也将成为可能，从而使物联网（IoT）更为全面。 最后但并非不重要的一点是，对于一个更加绿色的世界来说，需要更少的能源消耗和网络节点。因此，以下是5G描述中最重要的几大要素：高吞吐量，低延迟，高可靠性，高可扩展性和高能效移动通信技术。
在本文中，我们对设想的5G技术的几种方法进行了全面研究。 本文的其余部分的架构如下。 在第二节中，我们描述了5G必须满足的一些场景。在第三节中，我们介绍了一些从事5G标准工作的杰出研究小组。在第四节中，包含来自最近5G研究计划的不同方面的文献综述。第五小节是本文的结束语。
- 未来的场景和5G合规性
到2020年，社会将是一个连通的社会，物联网（IOT）与智能集成传感器系统和家庭传感器网络将改变人们的生活方式。“智能生活”的人们需要持续不间断且无处不在的移动连接到网络来上传他们的活动数据和（物联网）IoT控制命令，从而生成一个“海量报告”的上行数据流[2]。 大规模的机器到机器通信和关键机器到机器通信将在服务交付和行业运营中发挥关键作用。
车载自组织网络（VANET）正不断推进。到2020年，与蜂窝网络集成的VANET将作为VANET云运行，从而形成更智能、更安全的交通系统[3]。
当连接到互联网的设备数量在未来十年内增长到几十亿甚至几千亿时，在非授权频段上的网络数据的传输将在网络负载平衡中发挥关键作用，提供有保证的比特率服务并减少控制信令。因此，5G将提供与密集异构网络的无缝兼容性以满足实时流量的高需求，这对最终用户能体验到网络的平滑连接是非常重要的[4]。
- 研究小组及其工作
不同的研究小组正在共同研究着5G标准。 举几个例子，欧盟正式启动METIS (Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty (2020) Information Society)项目，开始进行5G研发；欧盟同时提出了用于异步信令的第五代非正交波形（5GNOW）；欧盟也提出来用于专业Ad-Hoc和基于小区的通信的增强型多载波技术（EMPhAtiC）子课题小组；后来欧盟提出了5G政府民间合作计划（5GPPP）和无线通信卓越网络（ NEWCOM ＃）项目；此外还有萨里大学的5G创新中心、纽约大学的WIRELESS研究中心以及韩国电子和电信研究院（ETRI）。 这些小组正在研究5G的不同技术和可能的标准化方面。其中，METIS是欧盟第七框架计划（7th Framework Programme）中最大的5G项目。欧盟第七框架计划(简称FP7)是欧盟的研究和创新的全球性科技开发计划[5]。METIS招募了NSN、爱立信、T-Mobile、Docomo、Orange等顶级电信公司，以及学术机构，如斯德哥尔摩皇家理工学院、波兹南科技大学、凯泽斯劳滕理工大学、巴伦西亚理工大学、奥卢大学等作为合作伙伴。
METIS最近发布了他们的最终项目报告（2015年4月30日交付的8。4版本），其中包括了项目的主要成果：一个体系架构， 高层架构图，渠道模型和140多项技术组件及其测试评估[6]。 报告展示了滤波器组多载波（FBMC）是设计灵活的空中接口的成功推动者。其中的的模拟报告提供了对5G关键性能指标（KPI）的相关评估，例如每用户流量，每个区域的流量，繁忙时段的平均用户数据速率以及实际用户的数据速率。 有趣的是，他们的仿真结果显示无线电接入网络（RAN）的延迟低于1毫秒。他们还提出了不同场景下的不同RAN架构和流量情况，如室内办公室，商场，体育场馆和室外密集的城市环境。METIS现在正在推进METIS-II项目，设想一个整体的5G RAN设计、5G RAN协作评估以及所有标准化组织之间的全球共识。
另一个研究小组5G-PPP是由欧盟委员会、制造商、电信运营商和研究人员发起的。5G愿景被紧密地定义为：“。。。即从现在开始的十年内，电信和IT将被整合到一个通用的高容量的无处不在的基础设施中，为固定和移动接入提供融合功能。。。”[7]。
5GNOW研究了5G的统一帧结构，超低延迟，超高可靠性和可行波形。 他们最近的交付成果说明了伽柏信号（Gabor signaling）， 其中扩展信号是原型窗口的缩放时间频率偏移的总和。缩放因子由伽柏展开系数给出。 它还讨论了通过短期傅立叶变换（STFT）获取信号的时间和其频率的平面信息[8]。
EMPhAtiC正在探索多输入多输出传输（MIMO）、均衡、开发高度灵活的滤波器组以及具有异步性的多跳或基于中继的通信技术。在项目最近的可交付成果中，针对频率选择性信道下的FBMC提出了不同的MIMO收发机方案策略[9]。
NEWCOM＃正在研究例如寻找无线网络最紧密的上限，机会式多跳通信以及无线通信和网络中的能量和信道效率的高端可能性。该项目的最新成果之一包括对云无线接入技术、移动广播、使用频谱覆盖的4G / 5G共存、多跳编码和使用分布式天线定位的独家研究的研究。 该项目的成员已经得出结论：基带处理在很大程度上取决于系统带宽、调制编码方案（QAM）的顺序以及其所使用的资源块[10]。
纽约大学无线研究中心的Rappaport等人正在进行5G毫米波（mm-wave）的开创性实验，并在纽约和奥斯汀这两个城市试验了毫米波传播模型和路径损耗[11]。
英国唯一致力于5G研究的研究机构5GIC最近在无线速度增益方面取得了显着突破：无线点对点（P2P）通信的速度突破到1Tbps。其机构成员也在考虑超低延迟敏感应用服务以实现未来的研究目标[12]。
韩国电子和电信研究院（ETRI）在其GIGA 5G项目中主要致力于提高可靠性、设备到设备（D2D）通信技术以及移动热点网络（MHN）协议栈[13，14]。
韩国的5G论坛也在为未来的标准寻求创新和相关的市场研究。在世界的另一个地区，4G-Americas是美洲的“5G之声”。 2015年10月，该机构发布了关于5G演进和建议的白皮书，强调了以信息为中心的网络（ICN）。
除了上述提到研究机构，在全球还有一些其他的研究机构。Pirinen在他的调查中简要地提到了进行相关研究的不少人和他们的贡献[15]。下文是专门针对5G技术开发的详细回顾。
- 向5G技术发展
许多有名的技术或方案，如调制技术、无线电接入技术或分布式计算等，可以在5G中重复使用，并与许多其他新开发和演进的解决方案一起进行一些更改。因此，在文献综述中，我们将文献限制为最近的研究论文、白皮书、行业产品和最新的市场需求。 例如，思科公司每年发布一份白皮书，即可视化网络指数预测（VNI）。思科的VNI报告中预测了全球移动数据流量，并且在2015年2月发布的最新VNI报告做出了有趣的预测：到2019年，全球月度移动数据流量将超过目前移动流量的10倍的24。3艾字节（EB），全球连接到网络的设备数量将很快超过全球人口数量。
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- 毫米波通信
为了达到1000倍的速度增强，第一步是使用毫米波（具有毫米量级的波长）频谱（3-300GHz范围）作为载波频率，同时将机会性业务卸载到未经许可的频谱（5GHz Wi-Fi）上。目前的蜂窝许可载波跨越已饱和的从750 MHz到2600 MHz之间的频谱。因此，需要对毫米波频谱中利用率最低的物理层（PHY 层）进行设计。此外，大规模MIMO、波束成形、流量卸载到未授权频谱和无线电资源的云计算将提供更快的数据传输并保证可用性。 Rappaport等人显示了由城市结构产生的28 GHz和38 GHz载波的传播行为、穿透特性和路径损耗[11]。本文提供的数据对设计部署毫米波的5G技术层具有一定的参考价值。Levanen等人 [17]为5G设计了超低延迟毫米波通信。
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- 架构
5G将具有连接良好的核心网络和RAN。 主干网络甚至可以从光纤转移到毫米波无线连接，并且互联的基站将使用高带宽有线连接。随着连接设备的数量的增加，典型的宏单元可能会受到沉重的负担，通过控制开销以维持与大量设备的连接（每个单元大约10k）。因此，该体系架构必须不那么复杂，以适应增加的信令和有效负载开销的增加。 这种未来的5G架构以及毫米波RAN的部署已经在Giga KOREA的5G项目中有了相关报道，还阐述了报告中对3D波束成形的天线阵列结构的图形表示，并描述了波束控制机制促进不同波束之间的快速切换的过程。
三维束形成是通过贴片天线的二维阵列实现的。由二维贴片天线阵列形成的三维空间中发出的高度定向的无线电传输信号波束有助于实现空分多址（SDMA）。这基本上可以称为波束分割多址（BDMA）。在用户设备中，他们安装了由一个2D的补丁天线组成的贴片天线阵列。不同波束之间的快速切换能力使得无线接入技术稳健、安全并且高度可靠。
此外，为了克服毫米波RAN的有限覆盖，使用“中继”传输并且切换过程可能不再由核心节点而是由基站控制。在4G LTE中，由基站或eNB执行此资源分配任务。已经提出了许多调度算法用于在LTE中实现更好的QoS。基于博弈论计算，提出了认知无线电链路的智能资源分配方案。5G应该在基于宏单元的操作的情况下使用这种类型的最优分布式资源分配算法，其中波束成形可能不会实现。不仅增加了RAN容量，而且还开发了一个灵活、智能、易于安装、成本较低的演进型核心网络。此外，基于云的网络最近的发展已经触发了虚拟化核心网络的可能性。
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- 调制技术比OFDM更好
频谱效率主要取决于所使用的多址技术和调制方案。正交频分复用（OFDM）和正交频分多址（OFDMA）被用作LTE-Advanced （ 4G ） 中的调制方案和多址接入策略。OFDMA成功实现了3G蜂窝电话中使用的码分多址（CDMA）。OFDMA的进一步改进应该能够处理高峰值平均功率比（PAPR）和循环预编码（CPS）的需要，以防止块间干扰。而且，OFDM 在宽带毫米波上的适用性以及其所需硬件的设置的是不确定的。在5G中对FBMC、通用滤波多载波（UFMC）和OFDM调制方案进行了比较研究[19]。
在FBMC方案中，子载波通过通过滤波器组进行旁瓣抑制，使得它们能够比OFDM提供更高的频谱效率。FBMC对于发射机和接收机之间的内在异步性具有很强的鲁棒性。 5GNOW [20]组目前正在考虑四个波形，GFDM [<s 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</s
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