5G技術綜述*

李旭茹，徐曉宇，岳亞偉

(山西農(nóng)業(yè)大學軟件學院，山西 太谷 030800)

5G技術綜述*

李旭茹，徐曉宇，岳亞偉

(山西農(nóng)業(yè)大學軟件學院，山西 太谷 030800)

第五代移動通信技術，簡稱5G(Fifth Generation)，是面向2020年以后人類信息社會需求的無線移動通信，相比4G，最大的優(yōu)勢就是峰值速率提升了100倍，提升用戶體驗。目前行業(yè)對5G的研究度極高，本文在閱讀大量相關文獻的基礎上對5G進行基本概述，通過闡述5G的關鍵技術，提出5G未來發(fā)展的展望。

5G；無線通信；關鍵技術

物聯(lián)網(wǎng)近幾年的快速發(fā)展，由于其對網(wǎng)絡有著非常高的要求，成為了推動5G快速發(fā)展的一大動力。IMT-2020推進組是由中國工業(yè)和信息化部、科技部、發(fā)改委三部委聯(lián)合成立的，是一個專為推動5G發(fā)展的平臺，目的是使得我國自主研發(fā)的5G技術達到世界先進水平，并且成為國際標準。5G網(wǎng)絡的普遍應用將會使現(xiàn)在仍處于設想階段的物聯(lián)網(wǎng)以及無人機網(wǎng)絡、智慧城市等成為現(xiàn)實，真正的惠及千家萬戶，極大的便利了人們的生活。5G技術的高速發(fā)展，讓人們的生活達到一個全新的境界。

1 5G的概述

5G技術的誕生是在如今高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)以及移動互聯(lián)網(wǎng)的促進下產(chǎn)生的，這也使成本更低、能耗更低、安全更加可靠成為了5G的明顯特點。與4G相比，5G的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：速度快(傳輸速率提高10到100倍，峰值傳輸速率達10 Gbit /s)，時間短(端到端時延縮短，減少到ms級)，密度大(設備的連接密度增加10到100倍，流量密度提高1 000倍)，頻譜效率提高5到10倍。5G可以快速地實現(xiàn)人與萬物的互通互聯(lián)，極大的縮短了人與物之間的距離，使信息通信不受時空和地域的束縛，讓用戶使用起來更加的方便快捷。

從5G的發(fā)展態(tài)勢看，5G不但是移動寬帶技術的進步，對整個產(chǎn)業(yè)來說也是顛覆式的改變，直接促使每個人的工作和生活方式發(fā)生變化，整個人類社會全面進入到數(shù)字化的時代。預計未來30年，物聯(lián)網(wǎng)將連接起所有的事物，而物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的2個最重要的核心是海量的連接和1 ms左右的時延，目前的網(wǎng)路狀態(tài)，包括LTE及LTE-Advanced都無法支撐，而5G技術的到來有效的解決了這些問題，實質(zhì)性的解決了4G網(wǎng)絡的難點，并且對構(gòu)建高傳輸率、高可靠性、低延時以及極佳的用戶體驗的網(wǎng)絡社會的發(fā)展起到積極的促進作用。

2 5G的關鍵技術

2.1 無線傳輸技術

2.1.1 新型大規(guī)模天線技術

在無線通信快速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)流量需求急劇增加,而頻譜資源是有限的，因此，有效的提高頻譜利用率成為了迫在眉睫的任務。多天線技術的誕生非常有效的解決了這一問題，提高了頻譜的利用率同時提高了網(wǎng)絡的可靠性，這一技術正在被通信領域的各個方面逐一應用，如3G，LTE，LTE-A等，增加天線的數(shù)量，能夠保證傳輸?shù)目煽啃砸约邦l譜效率。在大規(guī)模的MIMO中，基站配制有大量天線，大量的用戶在同一時頻的資源上被服務,天線的配制方式有兩種[6]：一種是同一基站大量集中放置，形成大規(guī)模集中式MIMO；另一種是多個節(jié)點分布放置，形成大規(guī)模分布式MIMO。大規(guī)模MIMO的優(yōu)點在于：首先，大規(guī)模MIMO可以滿足在同一時頻資源支持若干個用戶，提高了MIMO的空間分辨率；其次，大規(guī)模MIMO能夠使波束在很短的范圍內(nèi)集中起來，極大的降低了由于波寬較寬而產(chǎn)生的大量干擾；再次，大規(guī)模MIMO由于有較大的天線數(shù)量而成為最佳的線性檢測器；最后，大規(guī)模MIMO擁有很高的功率效率?？傊?，新型大規(guī)模MIMO技術在網(wǎng)絡可靠性、頻譜效率、能耗方面都具有非常大的優(yōu)勢，因此在5G時代會普遍使用，但鑒于MIMO技術空間占用大、系統(tǒng)復雜度高、系統(tǒng)部署困難，未來這方面也是研究熱點。

2.1.2 全雙工

全雙工技術(FD，full duplex)又稱為同時同頻全雙工技術，是5G空中接口的關鍵技術之一。傳統(tǒng)的無線通信由于其技術的局限性，不能實現(xiàn)同時同頻的雙向通信，這對資源的浪費是非常大的，而雙工模式可以實現(xiàn)在上行和下行鏈路同時利用相同的頻率資源進行雙向通信，使資源利用率提高一倍。但是全雙工面臨的技術難題就是如何消除自干擾，因為在發(fā)送和接收信號的過程中，功率相差非常大，干擾現(xiàn)象非常嚴重。另外，在相鄰小區(qū)間同頻干擾比較嚴重，使得全雙工模式在MIMO環(huán)境下應用難度增大，需要進一步研究。

2.1.3 多網(wǎng)協(xié)同

移動蜂窩、Wi-Fi、終端對終端連接等在未來的網(wǎng)絡發(fā)展中都會為用戶提供鏈接。5G系統(tǒng)可以緊密協(xié)調(diào)這些網(wǎng)絡，為用戶的體驗帶來不間斷的極佳的效果，比如Hotspot 2.0。但就當前技術而言，不間斷的協(xié)調(diào)多種網(wǎng)絡仍然是難點，5G系統(tǒng)能否突破這些難點，真正的實現(xiàn)不簡單網(wǎng)絡切換為用戶帶來極佳的體驗還需要繼續(xù)深入研究。

2.2 無線網(wǎng)絡技術

2.2.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡技術

5G移動通信系統(tǒng)的正式使用不僅會使得舊的無線傳輸技術加速完善，也會促進新型的無線傳輸技術發(fā)展。5G將會是多層、多種無線接入技術共存的多制式異構(gòu)網(wǎng)絡。在未來的無線網(wǎng)絡發(fā)展中，站點之間的距離可以縮短至10 m甚至更短，相比現(xiàn)在的站點之間距離會明顯減??；在無線傳輸技術中，較現(xiàn)有站點的部署密度來說，各類低功率節(jié)點的部署密度提升大約10倍；支持用戶的范圍達到25 000戶/每平方公里，數(shù)量明顯增加，甚至可以達到一個服務節(jié)點對應一個用戶，形成超密集的異構(gòu)網(wǎng)絡。這將使得網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)變得非常復雜，各種覆蓋能力的網(wǎng)絡節(jié)點和各種無線接入技術內(nèi)部之間的關系極為復雜，這其中有網(wǎng)絡的維護和運營以及合理完善的部署網(wǎng)絡的挑戰(zhàn)。為了進一步提高網(wǎng)絡的運營和維護水平，降低網(wǎng)絡維護的成本，未來5G的發(fā)展需要兼容更加智能化的更加協(xié)同化的自組織網(wǎng)絡(SON)功能，統(tǒng)一實現(xiàn)多種無線接入技術、覆蓋層次的聯(lián)合自由化、自配置、自愈合。

2.2.2 新型網(wǎng)絡架構(gòu)

未來的5G網(wǎng)絡是一個多種網(wǎng)絡共存的局面，多種通信方式之間的協(xié)同交互將成為發(fā)展趨勢。未來網(wǎng)絡的發(fā)展是無縫交互、相互融合但又彼此存在差異的多種制式網(wǎng)絡并存的態(tài)勢。因此，未來5G的發(fā)展將是蜂窩移動數(shù)據(jù)與無線網(wǎng)絡相互融合組成的新型的網(wǎng)絡架構(gòu)，可以通過非授權(quán)頻段的有效利用進而達到實現(xiàn)業(yè)務分流的目的。在移動通信業(yè)務量急速增長的今天，承載數(shù)據(jù)交換的基站的業(yè)務量也隨之增大，基站的計算量也急劇增大。為了在提高數(shù)據(jù)的傳輸速度，同時減輕基站的數(shù)據(jù)計算壓力，D2D(Device to Device)網(wǎng)絡應用而生。D2D又稱為設備直通技術，收發(fā)雙方直接進行設備間的通信，無需借助基站。這種技術的優(yōu)勢在于能夠有效的減輕基站的運算壓力、降低終端電池的能耗、提高網(wǎng)絡基礎設施的魯棒性、增加比特速率。D2D是基于SDN、NFV和云計算等先進技術，可以幫助5G技術更加完善以用戶為中心的服務宗旨，D2D技術未來也將成為5G中的關鍵技術。

3 展望

雖然目前5G技術仍處于商討和研發(fā)階段，其相關技術以及諸多的影響因素仍存在著較大爭議，5G的實現(xiàn)正在進一步的研究當中。但是在未來通訊的發(fā)展中，5G技術的掌握必將成為各大通信設備廠商和運營商的核心競爭力，因此，對5G技術的提前著手和布局將成為我國占領技術和標準制高點，進一步提升產(chǎn)業(yè)影響力的影響。

5G的兼容性給各國的通信行業(yè)帶來了一個全新的平臺，不僅僅是高速、安全的網(wǎng)絡，更多的是全球化網(wǎng)絡的無縫連接，在5G的發(fā)展道路上，將會是多種網(wǎng)絡制式之間的無縫融合，為用戶的信息交互帶來極大的便利，并且惠及醫(yī)療、教育、軍事等各個方面。未來將會是更加智能更加快捷的完善的網(wǎng)路體系。

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Survey of 5G Technology

Li Xuru, Xu Xiaoyu, Yue Yawei

(SchoolofSoftware,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030800,China)

The fifth generation of mobile communication technology, referred to 5G (Fifth Generation), is a demand for human information society after 2020 wireless mobile communication. Compared with 4G, the biggest advantage is that the peak rate is increased 100 times and improves the user experience. At present, the study on 5G in industry is extremely high. In this paper, on the basis of reading a large number of relevant literatures, it makes a basic overview for 5G, introduces the key technology of the 5G and the prospect of future development for 5G is proposed.

5G; wireless communication; key technology

2017-02-07

山西農(nóng)業(yè)大學科技創(chuàng)新基金項目資助(2016009)；教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目(201601007019)

李旭茹(1990- )，女，山西呂梁人，助教，碩士研究生，主要研究方向是圖像處理，無線通信。

1674- 4578(2017)02- 0091- 03

TN929.5

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