5G移動(dòng)通信發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)

張鋒 王明華

【摘要】 第5代移動(dòng)通信（5G）是面向2020年以后的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，其愿景和需求已逐步得以確立，但相關(guān)技術(shù)發(fā)展目前仍處于探索階段。本文簡(jiǎn)單介紹了5G移動(dòng)通信的發(fā)展前景；概述了國(guó)內(nèi)外5G移動(dòng)通信的發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)研發(fā)單位和組織的學(xué)術(shù)活動(dòng)；重點(diǎn)針對(duì)5G移動(dòng)通信中富有發(fā)展前景的若干項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)的闡述，包括Massive MIMO、超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、毫米波技術(shù)、D2D通信、全雙工無(wú)線傳輸、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和自組織網(wǎng)絡(luò)等。

【關(guān)鍵詞】 5G 發(fā)展現(xiàn)狀 關(guān)鍵技術(shù)

前言

社會(huì)的進(jìn)步，使人與人、人與萬(wàn)物的交集越來(lái)越大，人們對(duì)通信技術(shù)的需求和更優(yōu)性能的追求在當(dāng)今變得更加迫切。無(wú)論是在移動(dòng)通信起步的伊始，還是迅速發(fā)展的當(dāng)下，人們對(duì)移動(dòng)通信的追求都是更快捷，更低耗，更安全。第五代移動(dòng)通信為滿足2020年以后的通信需求被提出，現(xiàn)今受到無(wú)數(shù)學(xué)人的關(guān)注。

第5代移動(dòng)通信（fifth generation mobile communication network，5G）作為新一代的移動(dòng)通信肩負(fù)著演進(jìn)并創(chuàng)新現(xiàn)有移動(dòng)通信的使命。它主要通過(guò)在當(dāng)今無(wú)線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上演進(jìn)并開發(fā)新技術(shù)加以融合從而構(gòu)建長(zhǎng)期的網(wǎng)絡(luò)社會(huì)，是新、舊無(wú)線接入技術(shù)集成后方案總稱，是一種真正意義上的融合網(wǎng)絡(luò)。

一、5G發(fā)展現(xiàn)狀

移動(dòng)通信界，每一代的移動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)，從最開始的愿景規(guī)劃，到技術(shù)的研發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)的制定，商業(yè)應(yīng)用直至其升級(jí)換代大致周期都是十年。每一次的周期伊始，誰(shuí)能搶占技術(shù)高地，更早的謀劃布局，誰(shuí)就能在新一輪‘通信大洗牌中獲得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。我國(guó)在5G之前的全球通信競(jìng)備中一直是落后或慢于發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展速度，因而在新一輪5G通信的競(jìng)備中國(guó)家是非常重視并給予了大力支持。2013年初，我國(guó)便成立了專項(xiàng)面對(duì)5G移動(dòng)通信研究與發(fā)展的IMT-2020推進(jìn)組，迅速明確了5G移動(dòng)通信的愿景，技術(shù)需求，應(yīng)用規(guī)劃。2013年6月，國(guó)家863計(jì)劃啟動(dòng)了5G移動(dòng)通信系統(tǒng)先期研究一期重大項(xiàng)目。令人振奮的是2016年伊始，我國(guó)正式啟動(dòng)5G技術(shù)試驗(yàn)，這是我國(guó)通信業(yè)同國(guó)際同步的一個(gè)重要信號(hào)。

同樣2013年以來(lái)，歐盟、韓國(guó)等國(guó)家與地區(qū)也成立相關(guān)組織并啟動(dòng)了針對(duì)5G的相關(guān)重大的科研計(jì)劃[1]：1）METIS是歐盟第七框架計(jì)劃中的一部分，項(xiàng)目研究組由愛立信、法國(guó)電信及歐洲部分學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)共29個(gè)成員組成，旨在5G的愿景規(guī)劃，技術(shù)研究等。2）5G PPP是由政府（歐盟）出資管理項(xiàng)目吸引民間企業(yè)與組織參加，其機(jī)制類似于我國(guó)的重大科技專項(xiàng)，計(jì)劃發(fā)展800個(gè)成員，包括ICT的各個(gè)領(lǐng)域。3）5G Forum是由韓國(guó)發(fā)起的5G組織，成員涵蓋政府，產(chǎn)業(yè)，運(yùn)營(yíng)商和高校，主要愿景是引領(lǐng)和推進(jìn)全球5G技術(shù)。

二、5G關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合當(dāng)前移動(dòng)通信的發(fā)展勢(shì)頭來(lái)看，5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)的確立仍需要進(jìn)一步的考量和市場(chǎng)實(shí)際需求的檢驗(yàn)。未來(lái)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中哪種技術(shù)能更好的適應(yīng)并滿足消費(fèi)者的需求，誰(shuí)能夠在各項(xiàng)技術(shù)中脫穎而出，現(xiàn)階段仍然不能明確的確立。但結(jié)合當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求和對(duì)未來(lái)5G移動(dòng)通信的一些展望，不難從諸多技術(shù)中總結(jié)出幾項(xiàng)富有發(fā)展和應(yīng)用前景的關(guān)鍵性技術(shù)[1]。

2.1 Massive MIMO

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)其實(shí)在5G之前的通信系統(tǒng)中已經(jīng)得到了一些應(yīng)用，可以說(shuō)它是一種作為提高系統(tǒng)頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段。但因天線占據(jù)空間問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大等一系列條件的制約，導(dǎo)致現(xiàn)有MIMO技術(shù)應(yīng)用中的收發(fā)裝置所配置的天線數(shù)量偏少。但在Massive MIMO中，將會(huì)對(duì)基站配置數(shù)目相當(dāng)大的天線，將把現(xiàn)階段的天線數(shù)量提升一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。它所帶來(lái)的巨大的容量和可靠性吸引了大量通信研究人員的眼球，彰顯了該技術(shù)的優(yōu)越性。

它的應(yīng)用能夠給我們帶來(lái)的好處是：1）較于以往的多入多出系統(tǒng)，Massive MIMO可以加大對(duì)空間維度資源的利用，為系統(tǒng)提供更多的空間自由度。2）因其系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)越性，可以做到降干擾、提升功率效率等。

同時(shí)它也存在著一系列問(wèn)題：1）因缺乏大量理論建模、實(shí)測(cè)建模方面工作的支撐，當(dāng)前沒有認(rèn)可度較高的信道模型。2）在獲取信道信息時(shí)的開銷要依靠信道互易性來(lái)降低，但是當(dāng)前的假定方案中使用比較多的是TDD系統(tǒng)，且用戶均為單天線，與基站天線數(shù)量相比明顯不足，當(dāng)用戶數(shù)量增加時(shí)則會(huì)致使導(dǎo)頻數(shù)量線性增加，冗余數(shù)據(jù)劇增。3）當(dāng)前Massive MIMO面對(duì)的瓶頸問(wèn)題主要是導(dǎo)頻污染。

Massive MIMO在5G移動(dòng)通信中的應(yīng)用可以說(shuō)是被寄予厚望，它將是5G區(qū)別以往移動(dòng)通信的主要核心技術(shù)之一。

2.2 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展朝著多元、綜合、智能等方向發(fā)展的要求，同時(shí)隨著智能終端的普及，數(shù)據(jù)流的爆炸式增長(zhǎng)將逐步彰顯出來(lái)，減小小區(qū)半徑、增加低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)等舉措將成為滿足5G發(fā)展需求并支持愿景中提到的網(wǎng)絡(luò)流量增長(zhǎng)的核心技術(shù)之一。超密集組網(wǎng)的組建將承擔(dān)5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量提高的重任。未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，在宏站覆蓋范圍內(nèi)，無(wú)線傳輸技術(shù)中的各種低功率的節(jié)點(diǎn)密度將會(huì)是現(xiàn)有密度5-15倍，站點(diǎn)間的距離將縮小到10米以內(nèi)，站點(diǎn)與激活用戶甚至能夠做到一對(duì)一的服務(wù)，從而形成超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[2]。超密集異構(gòu)組網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的密集化的構(gòu)造拉近了節(jié)點(diǎn)與終端的距離，從而使功率效率和頻譜效率加以提升，并且可以讓系統(tǒng)容量得到巨幅提升。

2.3毫米波技術(shù)

在5G網(wǎng)絡(luò)中，與即將面對(duì)的巨大的業(yè)務(wù)需求相沖突的是傳統(tǒng)移動(dòng)通信頻譜資源已趨于飽和。如何將移動(dòng)通信系統(tǒng)部署在6GHz以上的毫米波頻段正成為業(yè)界廣泛研究的課題。相比于傳統(tǒng)移動(dòng)通信頻譜的昂貴授權(quán)費(fèi)，MMW頻段中包含若干免費(fèi)頻段，這使得其使用成本可能會(huì)降低。MMW頻譜資源極為豐富可以尋找到帶寬為數(shù)百兆甚至數(shù)千兆的連續(xù)頻譜，連續(xù)頻譜部署在降低部署成本的同時(shí)也提高了頻譜的使用率[3]。

2.4 D2D通信

在未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)的容量還是對(duì)頻譜資源的利用率上都將會(huì)得到很大空間的提升，豐富的信道模式以及出色的用戶體驗(yàn)也將成為5G重要的研發(fā)著力點(diǎn)。D2D通信具有潛在的提升系統(tǒng)性能，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，減輕基站壓力，提高頻譜利用率等前景，因而它也是未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

D2D通信是一種在蜂窩系統(tǒng)架構(gòu)下的近距離數(shù)據(jù)直接傳輸技術(shù)。用戶之間使用的智能終端可以在不經(jīng)基站轉(zhuǎn)發(fā)的情況下直接傳輸會(huì)話數(shù)據(jù)，且相關(guān)的控制信號(hào)仍由蜂窩網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)。這種新型傳輸技術(shù)讓終端可以借助D2D在網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)實(shí)現(xiàn)端到端甚至接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)通信功能。

2.5全雙工無(wú)線傳輸

全雙工無(wú)線傳輸是區(qū)別于以往同一時(shí)段或同一頻率下只能單向傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)。能夠?qū)崿F(xiàn)雙向同時(shí)段、同頻傳輸?shù)娜p工無(wú)線傳輸技術(shù)在提升頻譜利用率上彰顯出其優(yōu)越性，它能夠使頻譜資源的利用趨于靈活化。全雙工無(wú)線傳輸技術(shù)為5G系統(tǒng)挖掘無(wú)線頻譜資源提供了一種很好的手段，使其成為5G移動(dòng)通信研究的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)。

同樣，在全雙工無(wú)線傳輸技術(shù)的應(yīng)用上也有很多阻力因素：同頻、同時(shí)段的傳輸，在接收端和發(fā)射端的直接功率差異是非常大的，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重自干擾。而且全雙工技術(shù)在同其他5G技術(shù)融合利用時(shí)，特別是在Massive MIMO條件下的性能差異現(xiàn)在還缺乏深入的理論分析[4]。

2.6軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）

SDN技術(shù)是源于Internet的一種新技術(shù)。該技術(shù)的思路是將網(wǎng)絡(luò)控制功能從設(shè)備上剝離，統(tǒng)一交由中心控制器加以控制，從而實(shí)現(xiàn)控、轉(zhuǎn)分離，使控制趨于靈活化，設(shè)備簡(jiǎn)單化。

同時(shí)在考慮網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)維實(shí)際也提出了一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系NFV，該體系利用IT技術(shù)及其平臺(tái)將網(wǎng)元功能虛擬化，根據(jù)用戶的不同業(yè)務(wù)需求在VNF（Virtual Network Feature）的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的功能塊連接與編排。NFV的核心所在即降低網(wǎng)絡(luò)邏輯功能塊和物理硬件模塊的相互依賴，提高重用，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能，并將多種網(wǎng)元硬件歸于標(biāo)準(zhǔn)化，從而實(shí)現(xiàn)軟件的靈活加載，大幅度降低基礎(chǔ)設(shè)備硬件成本。

2.7自組織網(wǎng)絡(luò)

運(yùn)營(yíng)商在傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的部署和基站的維護(hù)等都需要大量人工去一線維護(hù)，這種依賴人力的方式提供的服務(wù)低效、高昂等弊端一直深受用戶詬病。因此，為了解決網(wǎng)絡(luò)部署、優(yōu)化的復(fù)雜性問(wèn)題，降低運(yùn)維成本相對(duì)總收入的比例，便有了自組織網(wǎng)絡(luò)的概念。

SON的應(yīng)用將會(huì)為無(wú)線接入技術(shù)帶來(lái)巨大的便利，如實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線接入技術(shù)的自我融合配置，網(wǎng)絡(luò)故障自我愈合，多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化等等。但當(dāng)前在技術(shù)的完備上也存在一系列挑戰(zhàn)：不支持多網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)調(diào)，鄰區(qū)關(guān)系因低功率節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)部署和復(fù)雜化需發(fā)展新的自動(dòng)鄰區(qū)關(guān)系技術(shù)等。

三、小結(jié)

5G移動(dòng)通信作為下一代移動(dòng)通信的承載者，肩負(fù)著特殊的使命，在完成人們對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信的諸多憧憬上被寄予厚望。本文概述了當(dāng)前5G幾項(xiàng)富有發(fā)展前景的關(guān)鍵性技術(shù)，結(jié)合5G一系列的發(fā)展背景和人們多方面的通信需求，對(duì)幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的利弊加以剖析?？梢灶A(yù)計(jì)的是未來(lái)幾年5G的支撐性技術(shù)將被確立，其關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)的制定以及商業(yè)化的應(yīng)用也將逐步展開。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]趙國(guó)峰，陳婧等.5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015.08 DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2015.04.003

[2] Kela，P. Turkka，J. Costa，M. Borderless Mobility in 5G Outdoor Ultra-Dense Networks[J]，Access， IEEE（Volume：3），2015.08，pages1462-1476.

[3] JungSook Bae， Yong Seouk Choi，Architecture and Performance Evaluation of MmWave Based 5G Mobile Communication System[C]，Information and Communication Technology Convergence（ICTC），2014 International Conference On.IEEE，2014.10，pages847-851.

[4] Wang，X.Huang，H.Hwang，T. On the Capacity Gain from Full Duplex Communications in A Large Scale Wireless Network[J]， IEEE EARLY ACCESS ARTICLES， 2015.10.