第五代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)

徐小晶

【摘要】 5G是面向未來的通信發(fā)展需求的移動(dòng)通信系統(tǒng)，第五代移動(dòng)通信技術(shù)興起的主要驅(qū)動(dòng)力為互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，將來人機(jī)交互和數(shù)據(jù)共享是人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，在這種交互下，人們的生活將會(huì)更加高效舒適。本文首先介紹了第五代移動(dòng)通信技術(shù)的主要要求和挑戰(zhàn)。然后介紹了五種5G移動(dòng)通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，分別是大規(guī)模MIMO技術(shù)、同頻全雙工技術(shù)、毫米波頻段通信技術(shù)、高密度網(wǎng)絡(luò)、終端直通技術(shù)（D2D）。

【關(guān)鍵詞】 5G 關(guān)鍵技術(shù) 挑戰(zhàn)

5G是面向未來的通信發(fā)展需求的移動(dòng)通信系統(tǒng)，作為研究重點(diǎn)，5G通信技術(shù)引起了廣泛關(guān)注。關(guān)于第五代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，迄今為止不存在一個(gè)定論。第五代移動(dòng)通信技術(shù)興起的主要驅(qū)動(dòng)力為互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，將來人機(jī)交互和數(shù)據(jù)共享是人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，在這種交互下，人們的生活將會(huì)更加高效舒適。有報(bào)告稱，相對(duì)于現(xiàn)在的4G技術(shù)，第五代移動(dòng)通信技術(shù)的數(shù)據(jù)流量將會(huì)提升一千倍。除此之外，5G相對(duì)于傳統(tǒng)的3G、4G還能夠?qū)崿F(xiàn)更多的包括手機(jī)、平板等終端設(shè)備互聯(lián)。

一、第五代移動(dòng)通行的目標(biāo)和挑戰(zhàn)

對(duì)于第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)，關(guān)鍵要求包括：

第一，數(shù)據(jù)速率，第五代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力之一便是對(duì)呈現(xiàn)出井噴式增長(zhǎng)的移動(dòng)數(shù)據(jù)流需求的滿足上。通過不同的方式，可以對(duì)數(shù)據(jù)速率進(jìn)行衡量，這些方式主要包括區(qū)域數(shù)據(jù)容量和峰值傳輸速率，對(duì)于前者，現(xiàn)階段形成的共識(shí)是第五代移動(dòng)通信的單位區(qū)域數(shù)據(jù)流量是第四代移動(dòng)通信數(shù)據(jù)流量的一千倍。后者指的是在相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)之下，數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達(dá)到的最大值。

第二，延時(shí)，現(xiàn)階段第四代移動(dòng)通信技術(shù)的延時(shí)為15ms，對(duì)于大多數(shù)客戶需求，該延時(shí)能夠滿足使用需求，但是對(duì)于一些即時(shí)應(yīng)用需求，第五代移動(dòng)通信需要滿足其需求，因此，其需要具備更低的延時(shí)。

第三，能量和造價(jià)，無線通信系統(tǒng)的功耗隨著其連接數(shù)目的增加而隨之增長(zhǎng)，無線鏈路的數(shù)量增長(zhǎng)一百倍，其功耗也相應(yīng)地增加一百倍，所以，對(duì)于第五代移動(dòng)通信技術(shù)來講，對(duì)其功耗要求應(yīng)當(dāng)更高，使得通信網(wǎng)絡(luò)更加環(huán)保，終端設(shè)備特別是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池續(xù)航能力也因此發(fā)幅度提升。

在預(yù)期達(dá)到的技術(shù)方面，第五代移動(dòng)通信技術(shù)相對(duì)于第四代移動(dòng)通信技術(shù)更加嚴(yán)格，具體來說，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量要實(shí)現(xiàn)4G的1000倍，用戶數(shù)據(jù)速率要實(shí)現(xiàn)4G的10倍至100倍，連接設(shè)備為傳統(tǒng)4G的10倍至100倍，客戶端到通信端的延時(shí)縮小至傳統(tǒng)4G通信技術(shù)的1/5。

二、大規(guī)模MIMO技術(shù)

在系統(tǒng)中運(yùn)用大規(guī)模的天線陣列也即大規(guī)模MIMO技術(shù)，信號(hào)傳輸路徑在系統(tǒng)使用多天線的情況下會(huì)增多，空間進(jìn)而產(chǎn)生復(fù)用，系統(tǒng)頻譜效率和可靠性在很大程度上能夠提高。多用戶波束智能賦型在大規(guī)模天線整列運(yùn)用的條件下得以實(shí)現(xiàn)，其定向性進(jìn)而也得以增強(qiáng)，相對(duì)于現(xiàn)有MIMO技術(shù)，采用大規(guī)模天線陣列的情況下系統(tǒng)空間分辨率也有顯著的增強(qiáng)，能夠?qū)臻g維度資源進(jìn)行深入廣泛地挖掘，在很大程度上提升功率效率。與此同時(shí)，對(duì)于其他用戶的干擾和發(fā)射功率由于大規(guī)模MIMO技術(shù)更為集中的波束，也能夠大大降低，功率效率得以提高。但是，對(duì)于整個(gè)射頻系統(tǒng)來說，大規(guī)模MIMO技術(shù)的運(yùn)用，在設(shè)計(jì)過程中，急劇增加的天線數(shù)量和射頻通道增添了巨大的困難的挑戰(zhàn)，在射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，這一點(diǎn)體現(xiàn)得尤為明顯。

三、同頻全雙工技術(shù)

在第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，同頻全雙工技術(shù)被認(rèn)為極具潛力，能夠?qū)︻l譜資源進(jìn)行更深層次地挖掘，同頻全雙工技術(shù)無疑能夠使無線頻譜資源的利用步入全新的發(fā)展階段。無線全雙工技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的TDD雙工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了同頻段同時(shí)收發(fā)目標(biāo)，因此，在該技之下，無線頻譜利用率是過去利用率的兩倍，除此之外，該技術(shù)非常有益于無線網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段，該技術(shù)主要面臨的問題和障礙在于在同頻段同時(shí)收發(fā)過程中，會(huì)有巨大的自干擾產(chǎn)生，所以全雙工技術(shù)的核心和關(guān)鍵問題就是自干擾問題的解決?，F(xiàn)階段關(guān)于自干擾問題的解決已有相關(guān)技術(shù)，這些技術(shù)使得同頻雙工通信不再停留于理論階段，這些技術(shù)包括通過射頻域、數(shù)字域、天線域進(jìn)行自干擾的抵消，在實(shí)驗(yàn)室中，現(xiàn)階段已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)于過去吞吐量1.87倍的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量的提升。除了自干擾問題，MIMO系統(tǒng)支持也是同頻雙工通信技術(shù)面臨的另一大障礙和問題，隨著系統(tǒng)天線數(shù)目的增加，自干擾消除的復(fù)雜性也呈現(xiàn)出井噴式增加的趨勢(shì)，對(duì)于多天線系統(tǒng)而言，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，面臨著巨大的困難與挑戰(zhàn)。

四、毫米波頻段通信技術(shù)

第五代移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)容納量等均有很高要求，3GHz的低頻段以下的頻譜特別擁堵，相對(duì)于低頻段，高頻段頻譜資源非常豐富，完全能夠滿足第五代移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)于傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)容納量方面的需求。第五代移動(dòng)通信將來的發(fā)展趨勢(shì)是漢末波段移動(dòng)通信，好么波段通信隨著其集成電路、射頻通信等技術(shù)的發(fā)展和成熟，將來必定能夠成為移動(dòng)通信的主體技術(shù)，成為第五代移動(dòng)通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)趨勢(shì)之一。對(duì)于毫米波段的移動(dòng)通信技術(shù)，現(xiàn)階段已經(jīng)有多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的研究機(jī)構(gòu)開展著相關(guān)論證和研究。韓國(guó)三星電子公司于2013年5月成功通過六十四個(gè)天線組，以28GHz頻段進(jìn)行無線傳輸，該傳輸速度最快能夠達(dá)到1.056Gbps，傳輸距離最遠(yuǎn)能夠達(dá)到兩千米。美國(guó)英特爾公司于2014年3月，推出下一代蜂窩系統(tǒng)中運(yùn)用毫米波無線頻段的提案。法國(guó)電子和信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在2014年九月宣布由歐洲多個(gè)國(guó)家的運(yùn)營(yíng)商、供應(yīng)商組成的團(tuán)隊(duì)參與大規(guī)模MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)的研究團(tuán)隊(duì)中，如果研究工作成功開展，能夠提供更加理想的空間分辨率，還能夠在很大程度上提升頻譜利用效率。

五、高密度網(wǎng)絡(luò)

在第五代移動(dòng)通信技術(shù)中，無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)為不斷多元化、寬帶化、綜合化、智能化。數(shù)據(jù)流量在智能終端不斷普及和廣泛運(yùn)用的背景下，呈現(xiàn)出井噴式發(fā)展，因此高密度的網(wǎng)絡(luò)部署在對(duì)數(shù)據(jù)流量需求越來越大的背景下，成為了第五代通信技術(shù)數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)出一千倍增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的有效途徑之一。

在單位區(qū)域內(nèi)部通過部署密集網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋程度進(jìn)行改善，對(duì)系統(tǒng)的通信容量能夠在很大程度上進(jìn)行提升，除此之外，還能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)分流，網(wǎng)絡(luò)部署據(jù)此能夠更加靈活，頻率復(fù)用也得以更加高效化。毫米波在穿透能力方面不太理想，因此對(duì)于其大通道寬帶系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)部署方案和基站選擇方面方面，應(yīng)該注重密度問題。

六、終端直通技術(shù)（D2D）

對(duì)于一定距離范圍之內(nèi)的用戶，終端直通技術(shù)能夠避開基站端，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信，在很大程度上緩解基站的業(yè)務(wù)壓力。蜂窩通信組網(wǎng)在過去小區(qū)覆蓋過程中主要通過以數(shù)個(gè)基站和扇區(qū)為核心，但是，在數(shù)據(jù)容量方面，每一個(gè)基站均有有限性，通過終端直通技術(shù)，對(duì)于未來將要面對(duì)的高數(shù)據(jù)密度需求，能夠?qū)緲I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)較大幅度地緩解，與此同時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的靈活性大大提升。過去數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的提供是以基站為中心，但是在第五代移動(dòng)通信技術(shù)背景之下，以基站為中心的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供模式無法滿足龐大規(guī)模的用戶設(shè)備在不盡相同的使用環(huán)境中的具體業(yè)務(wù)需求。終端直通技術(shù)無需在基站的輔助之下，在不同通信終端之間便能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的連接和接入方式也能夠有所拓展。信道質(zhì)量在短距離直接通信的情況下較為理想，通信速率較高，通信時(shí)延和通信功耗較低；通信覆蓋在終端廣泛分布的情況下，能夠加以改善，頻譜資源在終端直通技術(shù)之下能夠?qū)崿F(xiàn)高效利用，網(wǎng)絡(luò)鏈路能夠更加靈活和可靠。

對(duì)于第五代移動(dòng)通信技術(shù)來講，其不僅僅是一種單純的技術(shù)革新，也不是幾種無線通信接入技術(shù)簡(jiǎn)單相加，而是對(duì)多種不同的技術(shù)進(jìn)行整合之后來滿足不同層次的客戶的通信需求，從這個(gè)角度來講，第五代移動(dòng)通信技術(shù)是一種真正意義上的融合網(wǎng)絡(luò)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]溫祖威.第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)中MIMO-OFDM檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，10：145-148.

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