摘 要

随着智能手机和平板电脑之类的智能设备的普及和人们对于通信速率和质量的要求的提高，现在的4G无线通信技术也慢慢到了业务能力的极限，越来越难以适应人们对通信业务量和速率的要求。于是，第五代移动通信技术应运而生。

5G移动通信采用许多新的空中接口技术，因此目前所提交给3GPP的空中接口备选协议也称为New Access (NA)协议。本文对目前3GPP组织所选用的5G物理层协议所包含的关键技术进行学习研究，分析技术背景和基本原理，具体包括信道编码技术，毫米波通信技术，OFDMA技术，大规模MIMO技术等。

首先，本文主要研究了5G无线通信技术的研究背景，研究现状和发展历史和核心技术。其次，在第二章中研究了信道编码中的多元低密度校验（LDPC）码技术，详细介绍LDPC码的优点，基本概念和因子图。再次，在第三章研究了毫米波通信技术的难题和硬件技术，主要是射频前端和天线，还有比较重要的波束赋形架构和技术。然后，在第四章主要研究了多址技术中的正交频分多址技术，本章详细介绍了正交频分多址的基本原理和基本框图，以及上下行链路的发射机接收机框图。接着，在第五章中主要研究了大规模多用户输入多用户输出技术的基础理论和系统容量。最后，本文在最后一章中总结全文并且畅想了2020年5G时代到来后的情景。

关键词：5G移动通信；毫米波通信；大规模MIMO；OFDMA技术；

Abstract

With the popularization of smart devices such as smart phones and tablets and people’s increasing demands on communication speed and quality, the current 4G mobile communication technologies have slowly reached the limit of service capabilities and are increasingly unable to meet people's demand for communication traffic and speed. Thus, the fifth generation of mobile communication technology came into being.

5G mobile communication uses many new air interface technologies, so the air interface alternative protocol currently submitted to 3GPP is also called the New Access (NA) protocol. This article studies the key technologies contained in the current 5G physical layer protocol selected by the 3GPP organization, and analyzes the technical background and basic principles, including channel coding technology, millimeter-wave communication technology, multiple access technology, and massive MIMO technology.

First of all, this paper mainly studies the research background, research status and development history and core technology of each generation of mobile communication technology. Secondly, in the second chapter, the LDPC code technology in channel coding is studied. The characteristics, basic principles, basic concepts and factor graphs of LDPC codes are introduced in detail. Again, in the third chapter, the problems and hardware technologies of millimeter-wave communication technology are studied, mainly the RF front-end and antenna, as well as the important beamforming architecture and technology. Then, in the fourth chapter mainly studied the orthogonal frequency division multiple access technology in the multiple access technology, this chapter introduced the basic principle and basic block diagram of OFDMA in detail, and the transmitter and receiver block diagram of the uplink and downlink. Then, in Chapter 5, the basic principle and system capacity of massive MIMO technology are mainly studied. Finally, this article summarizes the full text in the last chapter and imagines the coming of the 5G era in 2020.

Key Words：5G mobile communications；Millimeter Wave Communication；Massive MIMO；OFDMA technology；

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究现状 2

1.3本文研究内容 2

第2章 信道编码技术 4

2.1现代信道编码技术 4

2.2 多元LDPC 5

2.2.1多元LDPC码的基本概念 5

2.2.2多元LDPC码译码算法 7

第3章 毫米波通信技术 9

3.1 毫米波通信背景 9

3.1.1毫米波通信的发展 9

3.1.2毫米波通信的难题 10

3.1.3 毫米波系统的部署 10

3.2 毫米波系统硬件技术 10

3.2.1射频前端和天线 10

3.2.2波束赋形架构 11

3.2.3波束赋形技术 13

第4章 多址接入技术 15

4.1 多址技术发展现状 15

4.2 正交频分多址 16

第五章 大规模MIMO 19

5.1 技术背景 19

5.2 大规模MIMO基本理论 20

5.2.1单天线系统 20

5.2.2多天线系统 21

5.2.3系统模型和容量 21

第六章 结语 24

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1研究背景

从二十世纪70年代的第一代无线通信（1G）到2020年第一代移动通信（5G），每一代的通信技术的更新换代都是在迫切的市场需求下发生的，下图1.1就给出了蜂窝通信的发展史。

1981 1990 2000 2001 2006 2010 2015 2020

图1.1 蜂窝通信发展图

第一代移动通信系统广泛商用于二十世纪80年代，以频分多址技术为关键技术，属于模拟信号，传输速率为2. 4kbps。第二代移动通信系统广泛商用于二十世纪90年代，以时分多址和码分多址为关键技术，传输速率为9.6kbps。第三代移动通信系统商用于二十世纪初，以CDMA-2000、WCDMA以及TD-CDMA为主要标准，最低传输速率为384kbps，最高速率为2Mbps[1]。第四代移动通信系统广泛商用于2015年前后，以OFDM、MIMO、多用户分级、自动请求重发等为关键技术，最高传输速率可达100Mbps。

随着越来越多的移动智能终端的普及以及移动多媒体服务和应用，人们对于通信速度和质量的需求都有了大幅度的提高，传统的2G，3G，以及现在普遍使用的4G技术都还满足不了人们对于网速的要求，因此5G移动通信应运而生。

第五代移动通信技术即5G通信技术，将广泛商用于2020年，以新型编码技术，毫米波技术，OFDMA,大规模MIMO等技术为关键技术，传输速率是目前4G系统的10倍到100倍。未来5G系统会是一个空中接口融合的系统，通过多种接入技术和空中接口的有机融合以满足未来社会方方面面的需求。

1.2研究现状

5G移动通信技术，目前早已成为移动通信领域的非常有热度的世界性研究课题。随着科学技术的不断发展，网络技术的不断升级，5G移动通信系统的核心支撑技术也逐渐得到了统一的标准，在以后的四五年内，5G技术会进入飞跃式的发展阶段，即制定通信协议标准的阶段，同时将会在2020年正式商用[2]。以后，5G移动通信系统的容量会获得大幅度的扩大，通常是采用进一步提高频谱效率、变革网络结构、开发并利用新的频谱资源等方法来实现。

在全球范围以内，有很多5G的论坛和研究项目组。2011年欧洲首先开展了对5G研究，随后，中国、韩国、日本相继开始了各自对5G的研究活动。

METIS是欧盟第一个完整的关于5G的项目，这一项目对全球的5G的发展产生了极其重要的影响。5G-PPP指的是5G公私合作伙伴，它是欧盟框架7项目中的5G的后续项目。它的目标是保证欧洲在一些特定领域的领先，同时在这些领域中开辟潜在的新兴市场，比如智慧城市、智能交通、电子医疗、娱乐或者教育媒体。

IMT-2020(5G)推进组是在2013年2月成立的，在中国工信部、国家发改委以及科学技术部联合下，组织国内的大型企业和各大高校等成员共同开展5G的研发以及产业的推进。IMT-2020是整合移动通信领域产学研用力量、推动国内第五代移动通信技术研究、开展国际交流与合作的基础工作平台。

韩国和日本也相继分别于2013年5月和2013年9月分别成立了各自的5G项目组——韩国的5G论坛以及日本的ARIB2020。两者都是面向2020和未来的移动通信系统。

其他的5G倡议相对于上述的几个协议，在规模和影响力方面都比较小，没有被广泛接受。

1.3本文研究内容

本文主要的研究内容如下：

第一章主要研究介绍了本文的研究课题，研究背景和研究现状，简要介绍了移动通信的发展历史，同时为后面的知识做铺垫，简要分析了5G移动通信的关键技术，为全文的展开奠定基础。

第二章主要研究介绍了5G系统的编码技术发展现状和基本原理，并详细的介绍5G移动通信主要采用的LDPC编码的基本原理，基本概念，因子图表示，译码技术以及基本构造方法。

第三章主要研究介绍了5G系统最关键的技术之一的毫米波通信技术，从毫米波的通信背景，到毫米波系统的硬件技术，再到物理层技术。其中硬件技术分设备技术，天线以及波束赋形架构展开，而物理层技术主要介绍双工方式和传输方案。

第四章主要研究介绍5G系统的多址接入技术，由于目前的5G系统的多址技术已经确定下来。本文只详细介绍多址技术的发展现状以及目前已确定的OFDMA技术。

第五章主要研究介绍5G系统另一个最关键的技术之一的大规模MIMO技术。从大规模MIMO技术背景，大规模MIMO技术的基本理论来详细阐述这一关键技术。

第六章主要是对全文的研究方向和成果进行了归纳，对文章的整体思路进行回顾同时总结结论，最后对未来5G移动通信系统做了展望。

第2章 信道编码技术

2.1现代信道编码技术

信道编码技术是5G移动通信系统物理层的一项重要的关键技术，本章主要介绍近年来出现的新型编码技术中的多元LDPC码的编译码原理，并比较多元LDPC码相较于传统的二元LDPC码的优势。

1948年，香农著名的论文《通信的数字理论》发表了，从此开创了信息与编码理论这一个新兴学科，而构造可达到信道容量或者非常接近信道容量的信道编码成为了编码学者永恒追求的目标[3]。

信道编码的类型通常可以分成线性分组码和卷积码这两种。最早的线性分组码是20世纪40年代Hamming提出的Hamming码，它可以纠正一个随机错误。后来Muller提出了可以纠正多个错误的Muller码。1960年前后Reed-Solomon（RS）码和BCH码的发明，是信道编码理论的一个重大突破，他们都是属于循环线性分组码。差不多在同一时间段，R. G. Gallager提出了低密度校验（LDPC）码，但是非常遗憾的是，这种编码方式在随后的几十年里并没有得到太多的关注。

1955年Elias提出了卷积码，之后Wozencraft提出了卷积码的序列译码算法。然后到了1967年，Viterbi提出的Viterbi算法被认为是信道编码的另一个重要的发展阶段，因为这种算法被证明是卷积码的最大似然译码算法，随后这种算法迅速地得到了广泛的商用。

1966年，Forney提出了另一种由短分量码构造长码的编码方案：（串行）级联码。这种编码方案通过将内码和外码进行串行级联，在不增加译码复杂度的同时又可以获得比较大的性能提升[4]。到了20世纪70年代，NASA采用以卷积码为内码、RS码为外码的级联码作为其标准的一部分。

1993年提出Turbo码，对于信道编码具有革命性意义，这也标志着现代编码的开始。Turbo码的差错控制性能超越了截止频率，并且史无前例的逼近了香农极限值。Turbo码采用并行级联结构，又被称作并行级联码（Parallel Concatenated Codes，PCC），同时Turbo码还巧妙地将并行级联结构与伪随机交织器相结合，从而实现了随机编码的思想。

Turbo码问世不久，人们才发现：三十多年前的Gallager已经在1962年提出的LDPC码在迭代译码算法下也可以几乎达到信道容量的极限值。随后，这一沉寂了三十多年的编码方式终于迎来了新一轮的研究热潮。

低密度校验（LDPC）码是属于线性分组码的范畴，它之所以叫低密度是由于校验矩阵的稀疏性，意思是说校验矩阵中只含有数量非常少的非零元素[5]。与Turbo码相比，LDPC码有以下这些优点：

1. 交织器不需要非常复杂，就能够降低系统的复杂度和系统时延。
2. 误帧率性能更好，有效满足了现代通信的需要。
3. 降低了错误平层，有效地满足了通信系统极低误码率的需求。
4. 具有线性复杂度的译码算法，译码器功耗更小，数据吞吐量更高。

多年来，LDPC码的研究工作主要集中在性能分析、码设计与与构造以及高效译码算法方面。目前，LDPC码一般分为两大类：随机或伪随机码和结构化码。

最近的5G协议中关于数据编码的标准方案是在美国高通的LDPC码和中国华为的Polar码中产生，最后LDPC码当选为数据编码的标准方案，这是因为LDPC码即使在码长短时没有Polar码表现出色，但是在长码时具有着无与伦比的优势。从这次的标准评定中，LDPC码在数据编码上的优势我们也是可见一斑。

2.2 多元LDPC

Gallager提出了基于模块化算法的多元LDPC码，具有较高的实用价值。与二进制代码相比，它具有以下优点：

1. 与二元LDPC码相比，多元LDPC码的抗突发错误能力更加强大。
2. 在中短码长下，多元LDPC码的纠错能力比二元码LDPC更加优秀。

多元LDPC码的列重通常较小，因此在构造的时候可以有效避免环长较小的环，从而获得更优秀的纠错能力。

多元LDPC码是面向符号的，非常适合与高阶调制方案结合从而获得更高的数据传输速率和频谱效率。

2.2.1多元LDPC码的基本概念

本文讨论LDPC码是特指定义在有限域上的多元低密度校验码。我们假设F(q)是一个有限的区域，这个区域含有q个元素，这里的字母q的含义是素数的幂次的大小。在有限区域F(q)上定义一个m*n的稀疏校验矩阵H，这里 m为校验方程的个数[6]。在矩阵H的零空间内，可以定义一个线性分组码，这个线性分组码是长度为n的q元LDPC码。在矩阵H中，必须保证非零元素密度r非常低，我们把此处的r定义成为矩阵H之中非零元素个数与总元素的个数之比值。其码率为：

在公式（2.1）中，rank（H）表示矩阵H的秩。在矩阵H中，如果它包含着一个具有确定性和不变性的列重y和行重p，那么就可以在矩阵H的有限域F(q)上的零空间找到一个（y，p）规则的q元多元低密度校验码。如果在有限域F(q)上可以找到一个大小相同的稀疏循环移位矩阵的阵列，不妨假设为矩阵H，那么矩阵H的有限域F(q)上零空间就可以定义了一个q元准循环（QC）LDPC码。

一般情况下，多元的低密度校验码的校验矩阵H会有以下两条结构上的特性：

1. 在矩阵中，任意两行的相同位置上为非零元素最多只有一处，任意两列同理。
2. 如果矩阵H的非零元素密度越小，那么有限域就越小，矩阵H看起来就越稀疏。

这两条结构特性中的第一条一般称作行列约束，而这两条性质在迭代译码时起到了非常关键的作用。

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