5G挑戰(zhàn)及技術(shù)趨勢(shì)

李佶 蔣雷敏

摘 要：自20世紀(jì)80年代以來(lái)，移動(dòng)通信從移動(dòng)蜂窩到數(shù)字蜂窩，再到近期的CDMA、LTE技術(shù)已經(jīng)過(guò)四代演進(jìn)。現(xiàn)在，曾經(jīng)炙手可熱的3G漸漸退出舞臺(tái)，4G已經(jīng)開(kāi)始商用，但人們對(duì)于移動(dòng)互聯(lián)的需求不斷增加，促使新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的產(chǎn)生：5G研究正如火如荼地進(jìn)行。本文基于前四代移動(dòng)通信系統(tǒng)，主要分析5G的改進(jìn)，從當(dāng)前現(xiàn)狀開(kāi)始，根據(jù)用戶的需求提出5G目標(biāo)，探討技術(shù)演進(jìn)以及理想的效果。

關(guān)鍵詞：5G；挑戰(zhàn)；目標(biāo)；技術(shù)趨勢(shì)；頻率使用方式；高頻段通信

1 現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

2012年11月，歐盟委員會(huì)正式啟動(dòng)METIS項(xiàng)目，開(kāi)展5G研究，為建立5G移動(dòng)通信系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。緊接著，2013年2月，我國(guó)IMT-2020（5G）推進(jìn)組成立，集中國(guó)內(nèi)多方力量，為5G工作的推進(jìn)提供平臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)有不少單位參與5G研究項(xiàng)目，與三星、愛(ài)立信、諾西等國(guó)際公司進(jìn)行合作，5G已成為全球移動(dòng)通信領(lǐng)域新趨勢(shì)。

眾所周知，4G技術(shù)已經(jīng)使數(shù)據(jù)速率得到了一個(gè)很大的提高，能實(shí)現(xiàn)G級(jí)的速度，大大改善了3G的傳輸速率，在智能控制、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問(wèn)題上也有不錯(cuò)的解決。據(jù)統(tǒng)計(jì)，4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)3G，可以說(shuō)在移動(dòng)通信史上獨(dú)一無(wú)二。目前，TD-LTE技術(shù)基本成熟，網(wǎng)絡(luò)性能大大提升，足以滿足用戶的一般需求。但是4G仍然存在缺陷，不進(jìn)一步發(fā)展終將被淘汰。

METIS 5G總負(fù)責(zé)人Afif Osseiran曾說(shuō)過(guò)：預(yù)計(jì)未來(lái)10年數(shù)據(jù)流量將增加1000倍，到2020年將有500億的設(shè)備連接，產(chǎn)生前所未有的多樣性要求和無(wú)線連接性相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景。流量激增，互聯(lián)設(shè)備大幅增長(zhǎng)，應(yīng)用場(chǎng)合多樣化，都使用戶在穩(wěn)定性、不同場(chǎng)合間自由切換方面提出新的要求。

2 5G目標(biāo)

一直以來(lái)，速度一直是評(píng)判移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)，5G帶來(lái)的不僅僅是速度提升。Afif Osseiran認(rèn)為：5G將強(qiáng)調(diào)用戶享受極限網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)的方式，它采用以體驗(yàn)為中心的方式，通過(guò)集成多種無(wú)線接入技術(shù)提供極限體驗(yàn)來(lái)滿足用戶不同的需求。由此可見(jiàn)用戶體驗(yàn)的重要性，頻譜效率不再是唯一的追求目標(biāo)。

5G希望打造一個(gè)擁有大數(shù)據(jù)流量、高網(wǎng)絡(luò)效率、好用戶體驗(yàn)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)兼容性良好，低功耗、綠色可持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，能夠適應(yīng)超高速、超密集的應(yīng)用，并在多種不同場(chǎng)合間自由切換，帶來(lái)極速體驗(yàn)、海量鏈接。

為了實(shí)現(xiàn)這些要求，具體有五方面技術(shù)目標(biāo)：速率方面，實(shí)現(xiàn)M級(jí)到G級(jí)的跨越；時(shí)延方面，達(dá)到毫秒級(jí)；連接設(shè)備密度提高，達(dá)到每平方公里600萬(wàn)個(gè)；流量密度提升，至少每平方公里20Tbps；移動(dòng)性加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高鐵環(huán)境下的良好用戶體驗(yàn)。

3 5G技術(shù)趨勢(shì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)融合

網(wǎng)絡(luò)融合充分利用已有的資源，節(jié)約成本，正符合通信移動(dòng)系統(tǒng)的可持續(xù)性要求。5G將更加促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)融合的趨勢(shì)，包括：不同領(lǐng)域的跨界融合，多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的融合以及2G、3G、4G的網(wǎng)絡(luò)融合。

通信技術(shù)與信息、電子技術(shù)不可分離，跨界融合在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)效果以及終端、應(yīng)用方面都有一定影響。而無(wú)線業(yè)務(wù)也早已普及開(kāi)來(lái)，電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)深入生活，衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)融合、寬帶接入與移動(dòng)蜂窩融合，都給人們提供更豐富的服務(wù)。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)方面，2G、3G主要是語(yǔ)音業(yè)務(wù)，4G的TDD、FDD主要承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，WLAN是承載移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的重要補(bǔ)充。彼此間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，充分融合能實(shí)現(xiàn)低成本高效率的均衡發(fā)展。

3.2 LTE與LTE-A的進(jìn)一步演進(jìn)

LTE、LTE-A作為4G的主導(dǎo)技術(shù)，大大改善了網(wǎng)絡(luò)性能，對(duì)5G的研究意義重大。

LTE最主要特征是多天線技術(shù)，它的發(fā)展有可能使得頻譜效率提高數(shù)十倍。有源天線基礎(chǔ)上分離垂直方向的多陣子，引入有源天線陳列，實(shí)現(xiàn)3D-MIMO，支持多波束智能賦形、多用戶復(fù)用，并且相互間干擾減小。而Massive MIMO技術(shù)與空時(shí)編碼的結(jié)合，很大程度上提高空間復(fù)用效率，系統(tǒng)容量提升。

目前產(chǎn)業(yè)認(rèn)為達(dá)到5G目標(biāo)需要使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量增加1000倍。粗略地來(lái)講，需要頻譜效率增加6倍，帶寬增加3倍，網(wǎng)絡(luò)密度增加56倍。

5G可能采用大規(guī)模的MIMO技術(shù)、同頻全雙工技術(shù)等提高頻譜效率；開(kāi)發(fā)高頻段通信，利用寬載波來(lái)增加帶寬；廣泛應(yīng)用小基站等等來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)密度。

3.3 技術(shù)創(chuàng)新

頻率資源有限但是需求無(wú)限，這就決定了固定頻率分配不再適用。如果可以動(dòng)態(tài)感知業(yè)務(wù)狀況，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、使用頻率，對(duì)空閑頻段加以利用，就能大大提高頻譜使用效率，這就是感知無(wú)線電技術(shù)。未來(lái)5G需要最大可能地提高頻譜效率。

傳統(tǒng)移動(dòng)通信主要集中在3GHz以下的頻段，移動(dòng)性較好，但是3GHz畢竟有限，早已擁擠不堪，而在高頻段還有大量資源等待開(kāi)發(fā)。眼下，小覆蓋蜂窩系統(tǒng)大多在3GHz到6GHz之間，未來(lái)需要考慮6GHz及以上頻段，來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的容量、速率需求。

4 總結(jié)

毋庸置疑，5G將占據(jù)全球移動(dòng)通信的主導(dǎo)地位，它將采用新的頻率使用方式，通過(guò)更高頻段的通信，結(jié)合相關(guān)技術(shù)，提供更快、更高效、更綠色同時(shí)用戶體驗(yàn)更好的移動(dòng)通信系統(tǒng)，給人們的生活帶來(lái)更高價(jià)值。

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