淺析5G移動(dòng)通信系統(tǒng)

摘 要：第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)數(shù)據(jù)爆炸式增長的背景下應(yīng)運(yùn)而生。目前，5G的發(fā)展需求已經(jīng)明確，下一步發(fā)展和研究的重點(diǎn)將在如何利用現(xiàn)有技術(shù)和潛在的多種新技術(shù)融合以實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)。關(guān)于5G的六大關(guān)鍵技術(shù)，高頻段傳輸技術(shù)，大規(guī)模MIMO技術(shù)，NOMA技術(shù)（非正交多址接入技術(shù)），D2D通信技術(shù)，超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，情感認(rèn)知技術(shù)，淺析了每種技術(shù)的基本概念，以及應(yīng)用到5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)的潛在問題。

關(guān)鍵詞：5G 發(fā)展趨勢 關(guān)鍵技術(shù)

美國時(shí)間2016年11月，在剛剛結(jié)束的第三屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上，中國華為公司的Polar Code（極化碼）被確定為5G控制信道編碼方案。極化碼的被認(rèn)可標(biāo)志著中國在移動(dòng)通信領(lǐng)域從追趕到引領(lǐng)的突破，也提示著觸手可及的5G時(shí)代將普及在不遠(yuǎn)的將來。5G時(shí)代的到來可以說是移動(dòng)通信發(fā)展的必然，也是3G、4G技術(shù)發(fā)展下的一種演進(jìn)，在信息化的大潮流中能夠拔得5G通信的頭籌，必然會(huì)有更高、更快的發(fā)展。據(jù)外媒的最新消息，美國AT&T將在今年部署5G網(wǎng)絡(luò)，部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)1Gbps的網(wǎng)速。

1、5G是什么？

我們能感受到的5G，是更快的速率。如果將4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率比作慢吞吞行走的烏龜，那么5G就是跳躍的兔子了。4G已被譽(yù)為機(jī)器之間的“高速對(duì)話”傳輸信息的速率高達(dá)100Mbps以上，能夠?qū)崿F(xiàn)高速傳遞文件，圖片和視頻。而5G作為移動(dòng)通信技術(shù)新的發(fā)展方向，將擁有更高的網(wǎng)速及帶寬，預(yù)計(jì)將達(dá)到4G傳輸速率的10倍左右。

IMT-2020（5G）的技術(shù)要求：

-用戶體驗(yàn)速率達(dá)1-10Gbps（非理論速率）

-1毫秒級(jí)的端到端時(shí)延

-1000倍帶寬（每單位區(qū)域）

-10-100倍設(shè)備連接數(shù)量

-99.999%有效性（用戶感知）

-100%覆蓋（用戶感知）

-減少90%網(wǎng)絡(luò)能耗

-低能耗機(jī)對(duì)機(jī)通信設(shè)備電池壽命可達(dá)10年

5G通信具有高速性和先進(jìn)性。5G網(wǎng)絡(luò)可以在1平方千米內(nèi)為超過100萬臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供100Mbps以上的平均數(shù)據(jù)傳輸速率，將為用戶帶來更高的安全性和更短的時(shí)延，并且在人工智能服務(wù)、智慧城市以及工業(yè)自動(dòng)化方面會(huì)有更大的突破。5G的普及，將成為連接萬物的重要渠道，實(shí)現(xiàn)全方位、多視野、智能化、多元化通信，給用戶帶來耳目一新的感受，就好比虛擬現(xiàn)實(shí)、云端辦公、智能家居、移動(dòng)終端等等。

任何一個(gè)新的突破都是技術(shù)的創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)和發(fā)展帶來的，5G雖然可以稱作是3G、4G網(wǎng)絡(luò)的一種演進(jìn)，但實(shí)現(xiàn)它們的技術(shù)原理和部署方法都是不同的。因此，5G網(wǎng)絡(luò)也可以稱作是一種全新的技術(shù)。我國成立IMT-2020（5G）推進(jìn)組將研發(fā)5G的過程分為5G關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)、5G技術(shù)方案驗(yàn)證和5G系統(tǒng)驗(yàn)證三個(gè)階段，用于商用和產(chǎn)品研發(fā)預(yù)計(jì)在2018年到2020年進(jìn)行，但5G與各個(gè)領(lǐng)域的滲透和深度融合是不言而喻的。

2、5G通信中用到的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高頻段傳輸技術(shù)

為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)的大容量和高傳輸速率，增加帶寬是最有效最直接的辦法?，F(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀下，60GHz以下的頻譜資源擁擠，而高頻段6GHz以上頻譜資源豐富，因此高頻段傳輸技術(shù)成為5G通信的必然選擇。

2.2 毫米波通信——開發(fā)高頻段

毫米波（mmWave），頻率30—300GHz，波長1—10mm。可用頻帶資源廣，提供較高的帶寬，且波束集中，方向性好，可連接大量的設(shè)備，提高能效。據(jù)預(yù)測，未來毫米波通信的傳輸速率可高于光纖通信。

2.3 大規(guī)模MIMO技術(shù)

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信和無線通信等領(lǐng)域。通常解釋為為網(wǎng)絡(luò)資源經(jīng)過多重切割，由多重天線進(jìn)行同步傳送，可以提高信道容量，傳輸效率和信道可靠性。在移動(dòng)通信領(lǐng)域仍面臨很多的挑戰(zhàn)，由于移動(dòng)終端設(shè)備都具有體積小、重量輕和耗電低等特點(diǎn)，并且當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度過快時(shí)，使得快速信道估計(jì)成為研究的主要內(nèi)容。但MIMO技術(shù)適用于傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信區(qū)以及高用戶密度區(qū)，為高頻段移動(dòng)通信技術(shù)提供了廣闊的前景。大規(guī)模MIMO技術(shù)（3D-MIMO技術(shù)）在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上增加了垂直維度，使得波束實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用和空間分集，避免了波束之間的相互干擾。

2.4 NOMA技術(shù)（非正交多址接入技術(shù)）

第四代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（4G）采用正交頻分多址（OFDM）技術(shù)，和MIMO技術(shù)相結(jié)合，不但克服了多徑干擾的問題，而且使其數(shù)據(jù)速率高達(dá)20Mbps甚至100Mbps。而面向5G將高于4G傳輸速率10倍左右的需求，利用功率復(fù)用的多址接入技術(shù)，即非正交多址接入技術(shù)，有更加明顯的性能優(yōu)勢。功率復(fù)用的目的是利用每個(gè)用戶不同的路徑損耗差異實(shí)現(xiàn)多用戶復(fù)用。目前NOMA技術(shù)已經(jīng)被研究證實(shí)可以使無線接入宏蜂窩區(qū)域的總吞吐量提高50%左右。

同時(shí)，NOMA技術(shù)還具有不需知道每個(gè)信道SCI的優(yōu)點(diǎn)，這使得它可以滿足即使在移動(dòng)臺(tái)高速移動(dòng)的狀態(tài)下，仍然能獲得更好的性能。實(shí)現(xiàn)NOMA技術(shù)需要在接受端引入串行干擾刪除（SIC）實(shí)現(xiàn)功率復(fù)用時(shí)的多用戶檢測，對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行判決，逐級(jí)消除多址干擾。

2.5 D2D通信技術(shù)

D2D通信技術(shù)是指在蜂窩系統(tǒng)下能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)對(duì)等用戶節(jié)點(diǎn)近距離直接傳送數(shù)據(jù)的一種通信方式。5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，不僅要求數(shù)據(jù)傳送速率快，信道容量大，更加豐富的終端用戶體驗(yàn)，也將成為5G發(fā)展的主要趨勢。因此，設(shè)備到設(shè)備通信（D2D）將成為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。

D2D通信在傳送數(shù)據(jù)時(shí)，具有不借助基站自動(dòng)路由（轉(zhuǎn)發(fā)消息）的功能，這樣能很大地降低基站負(fù)擔(dān)，縮小傳輸時(shí)延，從而提高頻譜效率，減小終端的發(fā)射功率。但D2D在帶來多方面的好處的同時(shí)，技術(shù)問題上仍存在著很大的挑戰(zhàn)。比如當(dāng)終端用戶之間的距離不能保證近距離通信時(shí)，如何進(jìn)行蜂窩通信技術(shù)和D2D通信技術(shù)的最優(yōu)選擇問題是值得考慮和解決的。

2.6 超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容量大幅增長的需求，立體分層網(wǎng)絡(luò)（Hetnet）的密度只會(huì)大量增加，才能使更多的物與物連入網(wǎng)絡(luò)。5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的前期工作已經(jīng)給出了“三朵云”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)容量的單獨(dú)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)由于業(yè)務(wù)需求的靈活性控制承載分離，從而擴(kuò)展控制面板和數(shù)據(jù)面的資源。并且，超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對(duì)基站無線控制功能部分實(shí)現(xiàn)抽離和分簇化的集中式管理，從而使簇內(nèi)的小區(qū)間干擾得以協(xié)調(diào)，提高網(wǎng)絡(luò)容量，給用戶帶來更豐富的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

2.7 情感認(rèn)知技術(shù)

未來5G的發(fā)展趨勢，將不僅僅承載著人與人的連接，人與物、物與物的連接同樣是現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)5G個(gè)性化，智能化的發(fā)展方向。及時(shí)化，個(gè)性化，前瞻性和適應(yīng)性是情感認(rèn)知技術(shù)的最大特點(diǎn)，通過移動(dòng)設(shè)備的分析和推理，自動(dòng)為用戶提供可靠適合的選擇。情感認(rèn)知技術(shù)將積極響應(yīng)現(xiàn)代移動(dòng)通信的智能化業(yè)務(wù)需求。

3、結(jié)束語

5G的誕生將滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)高質(zhì)量高速率生活的需求，也將成為繼3G，4G后的又一次革命性創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)全方位、多視野、智能化、多元化通信。本文淺析了新一代移動(dòng)通信5G的發(fā)展趨勢和無線網(wǎng)絡(luò)方面的六大關(guān)鍵技術(shù)。5G通信的高頻段資源占用方面和情感認(rèn)知智能化自感知能力的深入研究將成為5G網(wǎng)絡(luò)不可或缺的特性之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙國鋒等.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)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015年，27（4）：441-452

[2]宏光通信.解讀5G八大關(guān)鍵技術(shù)[EB/OL].

http：// gh_7095818ff0ea.html，2016年9月2日/2016年10月3日

作者簡介：

劉佳彤（1995—12月—08日）女，漢族，河南南陽人，鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，2014級(jí)本科生，電子信息工程專業(yè)。