5G移動(dòng)通信技術(shù)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

郭養(yǎng)雄

【摘要】隨著現(xiàn)代社會(huì)信息化的快速發(fā)展，2020年后物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息化技術(shù)將快速發(fā)展，研究下一代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）迫在眉睫。5G通信技術(shù)發(fā)展應(yīng)需求而生的。本文從移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展歷程展開分析，對(duì)下一代5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

【關(guān)鍵詞】5G；移動(dòng)通信；關(guān)鍵技術(shù)

【Abstract】With the rapid development of information technology in modern society， Internet of things after 2020， the wisdom city， big data and cloud computing， information technology will be rapid development， research of the next generation of mobile communication technology （5 g） is imminent. The development of 5G communication technology should be born of demand. This paper analyzes the development of mobile communication technology and introduces the key technologies of 5G mobile communication.

【Key words】Mobile communication；Key technologies

1. 移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展歷程

（1）移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段，第一代（1G）通信技術(shù)自上世紀(jì)80年代初期被提出，是通過模擬傳輸，因此具有速度低、質(zhì)量差、安全性差、沒有加密、業(yè)務(wù)量小的特點(diǎn)及不足。

（2）第二代（2G）通信技術(shù)的發(fā)展開始于二十世紀(jì)九十年代初期，采用更密集技術(shù)結(jié)構(gòu)、引用智能技術(shù)等，較1G技術(shù)有所進(jìn)步，但依然不能真正滿足移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。

（3）第三代（3G）通信技術(shù)的問世，通過應(yīng)用智能信號(hào)等處理技術(shù)，該技術(shù)中頻譜利用效率還是比較低，頻譜資源利用率低。

（4）第四代（4G）通信技術(shù)在這種背景下提出，其視頻圖像傳輸?shù)男Ч梢枣敲栏咔逦娨?；擁有極高的下載速度及靈活的計(jì)費(fèi)方式等，具有前三代無可比擬的先進(jìn)性。

（5）第五代（5G）通信系統(tǒng)，作為當(dāng)前最新一代的通信系統(tǒng)，符合了移動(dòng)通信技術(shù)之發(fā)展規(guī)律，較第四代通信技術(shù)相比，其用戶體驗(yàn)、傳輸延時(shí)、系統(tǒng)安全和覆蓋性能能等各方面都有顯著的提高。5G移動(dòng)通信技術(shù)將緊密結(jié)合其他通信技術(shù)，構(gòu)成新一代無比先進(jìn)的移動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)。在未來十年的時(shí)間內(nèi)，能夠滿足人們對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展需求。

2. 我國5G發(fā)展情況

（1）我國5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)于2016-2018年進(jìn)行，分為5G關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)、5G技術(shù)方案驗(yàn)證、5G系統(tǒng)驗(yàn)證三個(gè)階段實(shí)施。

（2）5G是新一代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要方向，是未來新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。與4G相比，不僅將進(jìn)一步提升用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，同時(shí)還將滿足未來萬物互聯(lián)的應(yīng)用需求。

（3）從用戶體驗(yàn)看，5G具有更高的速率、更寬的帶寬，預(yù)計(jì)5G網(wǎng)速將比4G提高10倍左右，只需要幾秒即可下載一部高清電影，能夠滿足消費(fèi)者對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清視頻等更高的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)需求。

（4）從行業(yè)應(yīng)用看，5G具有更高的可靠性，更低的時(shí)延，能夠滿足智能制造、自動(dòng)駕駛等行業(yè)應(yīng)用的特定需求，拓寬融合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)創(chuàng)新發(fā)展。

（5）從發(fā)展態(tài)勢(shì)看，5G目前還處于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究階段，今后幾年4G還將保持主導(dǎo)地位、實(shí)現(xiàn)持續(xù)高速發(fā)展。但5G有望2020年正式商用。

3. 5G技術(shù)特點(diǎn)

（1）頻譜利用率高。

在5G移動(dòng)通信技術(shù)中，高頻段的頻譜資源將被應(yīng)用的更為廣泛，但是在目前科技水平條件下，由于會(huì)受到高頻段無線電波的穿透能力影響，高頻段頻譜資源的利用效率還是會(huì)受到某種程度的限制，但這不會(huì)影響光載無線組網(wǎng)、有線與無線寬帶技術(shù)的融合等技術(shù)的普遍應(yīng)用。

（2）通信系統(tǒng)性能有很大提高。

傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)理念，是將信息編譯碼、點(diǎn)點(diǎn)之間的物理層面?zhèn)鬏數(shù)燃夹g(shù)作為核心目標(biāo)，而5G移動(dòng)通信技術(shù)的不同之處在于，它將更加廣泛的多點(diǎn)、多天線、多用戶、多小區(qū)的相互協(xié)作、相互組網(wǎng)作為重點(diǎn)的研究突破點(diǎn)，以大幅度提高通信系統(tǒng)的性能。

（3）設(shè)計(jì)理念先進(jìn)。

在通信業(yè)務(wù)中，占據(jù)主導(dǎo)地位的是室內(nèi)通信業(yè)務(wù)的應(yīng)用，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的優(yōu)先設(shè)計(jì)目標(biāo)定位在室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能及其業(yè)務(wù)支撐能力上，這將改變傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。

（4）能耗和運(yùn)營(yíng)成本降低。

5G無線網(wǎng)絡(luò)的“軟”配置設(shè)計(jì)，將是未來該技術(shù)的重要研究、探索方向，網(wǎng)絡(luò)資源可以由運(yùn)營(yíng)商根據(jù)動(dòng)態(tài)的業(yè)務(wù)流量變化而實(shí)時(shí)調(diào)整，這樣，可以有效降低能耗和網(wǎng)絡(luò)資源運(yùn)營(yíng)成本。

（5）主要指標(biāo)。

5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，將更為注重用戶體驗(yàn)、交互式游戲、3D、虛擬實(shí)現(xiàn)、傳輸延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐速度、效率等，以上指標(biāo)將成為考量5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

4. 5G關(guān)鍵技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)總體框架如下圖1所示：

4.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

未來5G網(wǎng)絡(luò)正朝著網(wǎng)絡(luò)多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向發(fā)展。隨著各種智能終端的普及，面向2020年及以后，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。在未來5G網(wǎng)絡(luò)中、減小小區(qū)半徑、增加低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)量是保證未來5G網(wǎng)絡(luò)支持1 000倍流量增長(zhǎng)的核心技術(shù)之一。因此，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)成為未來5G網(wǎng)絡(luò)提高數(shù)據(jù)流量的關(guān)鍵技術(shù)。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)如下圖2所示：endprint

在超密集網(wǎng)絡(luò)中，密集地部署使得小區(qū)邊界數(shù)量劇增，加之形狀的不規(guī)則，導(dǎo)致頻繁復(fù)雜的切換。為滿足切換需要具備以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）垂直切換預(yù)判算法。為了滿足移動(dòng)性需求，勢(shì)必使用新的垂直切換算法；

（2）網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署技術(shù)。用戶節(jié)點(diǎn)的開啟和關(guān)閉具有突發(fā)性和隨機(jī)性，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜透蓴_大范圍動(dòng)態(tài)變化。

4.2 自組織網(wǎng)絡(luò)。

（1）在未來5G網(wǎng)絡(luò)中，將面臨網(wǎng)絡(luò)的部署、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)的挑戰(zhàn)，這主要是由于網(wǎng)絡(luò)存在各種無線接入技術(shù)，且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋能力各不相同，它們之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。因此，自組織網(wǎng)絡(luò)（self-organizing network SON）的智能化將成為5G網(wǎng)絡(luò)必不可少的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

（2）SON的思路是在網(wǎng)絡(luò)中引入自組織能力 （網(wǎng)絡(luò)智能化 ），包括自配置、自優(yōu)化、自愈合等。SON包括自配置、自優(yōu)化和自治愈等功能，在越來越復(fù)雜的5G網(wǎng)絡(luò)中，通過對(duì)大量關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPIs）和網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)以及功能實(shí)體的智能管理，一方面可以降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行開銷，另一方面可以提高網(wǎng)絡(luò)性能。SON可以看成是對(duì)傳統(tǒng)的靠人工管理的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（Operation Administration and Maintenance， OAM）的自動(dòng)化升級(jí)。使得運(yùn)營(yíng)商在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)配置及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)具有更高的自動(dòng)化程度。

4.3 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。

在未來5G中，面向大規(guī)模用戶的音頻、視頻、圖像等業(yè)務(wù)急劇增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸式增長(zhǎng)會(huì)極大地影響用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。如何有效地分發(fā)大流量的業(yè)務(wù)內(nèi)容，降低用戶獲取信息的時(shí)延，成為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和內(nèi)容提供商面臨的一大難題。僅僅依靠增加帶寬并不能解決問題，它還受到傳輸中路由阻塞和延遲、網(wǎng)站服務(wù)器的處理能力等因素的影響，這些問題的出現(xiàn)與用戶服務(wù)器之間的距離有密切關(guān)系。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò) （content distribution network，CDN）會(huì)對(duì)未來5G網(wǎng)絡(luò)的容量與用戶訪問具有重要的支撐作用。CDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖3所示：

4.4 D2D 通信。

4.4.1 在未來5G網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)容量、頻譜效率需要進(jìn)一步提升，更豐富的通信模式以及更好的終端用戶體驗(yàn)也是 5G 的演進(jìn)方向。設(shè)備到設(shè)備通信（ device-to-device communication，D2D）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、提高頻譜利用率的前景。因此，D2D是未來5G網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)之一（D2D網(wǎng)絡(luò)通信模式見圖4）。

4.4.2 D2D關(guān)鍵技術(shù)有以下幾方面：

（1）D2D發(fā)現(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鄰近D2D終端的檢測(cè)及識(shí)別。

（2）D2D同步技術(shù)。多跳D2D網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)保持系統(tǒng)的同步特性要求高。

（3）無線資源管理。D2D包括廣播、組播、單播、多跳傳輸、網(wǎng)狀組網(wǎng)等各種通信模式，因此調(diào)度及無線資源管理問題更復(fù)雜。

（4）功率控制和干擾協(xié)調(diào)。相比傳統(tǒng)的Peer-to-Peer（P2P）技術(shù)，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的D2D通信的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于干擾可控。

（5）通信模式切換。包括D2D模式與蜂窩模式的切換、基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)D2D與其他P2P（如WLAN）通信模式的切換、授權(quán)頻譜D2D通信與LTE-U D2D通信的切換等。

4.5 M2M通信。

M2M（machine to machine，M2M）作為物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)階段最常見的應(yīng)用形式，在智能電網(wǎng)、安全監(jiān)測(cè)、城市信息化、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。到2020年，全球物與物之間的通信將是人與人之間通信的30倍。500億臺(tái)M2M設(shè)備將活躍在全球移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中。蜂窩M2M通信的系統(tǒng)模型見下圖5。

4.6 信息中心網(wǎng)絡(luò)。

（1）隨著實(shí)時(shí)音頻、高清視頻等服務(wù)的日益激增，基于位置通信的傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)無法滿足海量數(shù)據(jù)流量分發(fā)的要求。網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出以信息為中心的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）ICN所指的信息包括實(shí)時(shí)媒體流、網(wǎng)頁服務(wù)、多媒體通信等，而信息中心網(wǎng)絡(luò)就是這些片段信息的總集合。ICN的主要概念是信息的分發(fā)、查找和傳遞，以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)通信模型， IP地址將作為一種傳輸標(biāo)識(shí)。全新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層解析信息名稱、路由緩存信息數(shù)據(jù)、多播傳遞信息等功能，從而較好地解決計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中存在的擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性以及動(dòng)態(tài)性等問題。信息中心網(wǎng)絡(luò)如圖6所示：

（3）盡管ICN可以解決現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)的固有問題，但在擴(kuò)展性、數(shù)據(jù)移動(dòng)性及大范圍部署等方面存在不足，其中最為突出的是部署性問題。由于現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)擁有廣泛的覆蓋范圍，且成功地運(yùn)營(yíng)了幾十年，ICN的提出無疑是對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)。因此，未來5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)更加注重ICN與IP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，使得ICN的發(fā)展更加實(shí)用。

4.7 SDN/NFV。

4.7.1 隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)+、三網(wǎng)融合、云計(jì)算服務(wù)等新興產(chǎn)業(yè)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)在可擴(kuò)展性、安全性、可控可管等方面提出了越來越高的要求。SDN（software-defined networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）/NFV（network function virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與構(gòu)建技術(shù)，其倡導(dǎo)的控制與數(shù)據(jù)分離、軟件化、虛擬化思想，為突破現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的困境帶來了希望。

4.7.2 SDN架構(gòu)的核心特點(diǎn)是開放性、靈活性和可編程性。主要分為3層：

（1）轉(zhuǎn)發(fā)層：包括大量基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，該層根據(jù)控制層下發(fā)的規(guī)則處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；

（2）控制層：主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面的資源進(jìn)行編排、控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、收集全局狀態(tài)信息等；

（3）應(yīng)用層：通過開放的北向API對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行調(diào)用。

SDN/NFV架構(gòu)如下圖7所示：endprint

4.8 情境感知技術(shù)。

（1）隨著海量設(shè)備的增長(zhǎng)，未來的5G網(wǎng)絡(luò)不僅承載人與人之間的通信，而且還要承載人與物之間以及物與物之間的通信，既可支撐大量終端，又使個(gè)性化、定制化的應(yīng)用成為常態(tài)。情境感知技術(shù)是在支撐大量終端數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，為用戶推送個(gè)性、智能信息服務(wù)。

（2）在情境感知技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用中，考慮基礎(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)元件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、分析平臺(tái)等內(nèi)容，立足于QoS移動(dòng)性特征，以訪問服務(wù)屬性所映射的5G配置為基本內(nèi)容，感知各個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)所收集的傳感信息，并與計(jì)算機(jī)設(shè)備、PDA、智能手機(jī)等設(shè)備相聯(lián)合，主動(dòng)為用戶提供舒適性服務(wù)。以5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表智能運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)，移動(dòng)設(shè)備可支持多種無線網(wǎng)絡(luò)，由開放式傳輸協(xié)議來實(shí)現(xiàn)管控程序，利用情境感知技術(shù)可為網(wǎng)絡(luò)利用速率提供多樣化通信服務(wù)，用于訪問服務(wù)屬性映射至5G配置特征（基本屬性涵蓋安全等級(jí)、QoS、移動(dòng)性、可靠性等），涵蓋NFC、BLUETOOTH等無線通信平臺(tái)，為“網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)業(yè)務(wù)”提供實(shí)踐輔助（涉及相應(yīng)業(yè)務(wù)應(yīng)用、參照運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)策略等內(nèi)容）。

5. 結(jié)束語

（1）整合5G移動(dòng)通信技術(shù)的關(guān)鍵要點(diǎn)，圍繞技術(shù)要點(diǎn)的基本評(píng)判指標(biāo)，從移動(dòng)信號(hào)的覆蓋范圍、傳輸速率、系統(tǒng)資源、頻譜利用率等方面考慮，構(gòu)建5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用機(jī)制，發(fā)揮通信網(wǎng)絡(luò)的基本功效。5G通信技術(shù)主要以連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、功耗連接、時(shí)延寬帶為基本應(yīng)用場(chǎng)景，立足于用戶體驗(yàn)速率、流量密度、能效及其連接數(shù)，成為當(dāng)下解決的主要應(yīng)用目標(biāo)。在未來5G移動(dòng)通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展中，以超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、毫米波通信、大規(guī)模MIMO技術(shù)等內(nèi)容為典型代表，改建原有的OFDM技術(shù)（正交頻分復(fù)用），為5G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)提供更加便捷化的適用條件。

（2）從綜合實(shí)踐方面來看，5G網(wǎng)絡(luò)融合多種無線通信技術(shù)，可為解決頻率許可、頻譜管理問題提供參考價(jià)值，具有較強(qiáng)的安全性能、經(jīng)濟(jì)收益。

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[文章編號(hào)]1619-2737（2017）07-20-678endprint