5G發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)探討

李揚(yáng)

【摘 要】本文從5G的概念及發(fā)展情況入手，詳細(xì)研究了5G中用到的幾種關(guān)鍵技術(shù)分析了這幾種技術(shù)的特點(diǎn)，最后探討了5G未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】5G；大規(guī)模MIMO；D2D；超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；CCFD

0 引言

5G即第五代移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)被冠以最熱門(mén)的標(biāo)簽行走于當(dāng)下，在過(guò)去的30年間，通信改變了我們的生活，為了滿(mǎn)足人類(lèi)不同的需求，移動(dòng)通信技術(shù)也進(jìn)行了前所未有的革新。目前我們身處4G時(shí)代，雖然4G時(shí)代數(shù)據(jù)率能達(dá)到100MbPs，但是隨著日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量以及智能終端的普及，導(dǎo)致4G在容量、頻譜以及數(shù)據(jù)率等方面已經(jīng)不能滿(mǎn)足人類(lèi)的日常需求，于是5G出現(xiàn)了。

1 5G概述

5G的概念最早可以追溯到2000年，4G網(wǎng)絡(luò)如火如荼部署的同時(shí)，5G的研發(fā)就已經(jīng)成為業(yè)界關(guān)注和爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)?？梢哉f(shuō)5G是目前4G/IMT-Advanced 標(biāo)準(zhǔn)以外的下一代電信標(biāo)準(zhǔn)。5G作為面向2020年及以后的移動(dòng)通信需求發(fā)展起來(lái)的下一代通信系統(tǒng)，它在無(wú)線(xiàn)覆蓋性能、傳輸時(shí)延、系統(tǒng)安全和用戶(hù)體驗(yàn)上都比4G移動(dòng)通信系統(tǒng)有了明顯的提高。具體來(lái)講就是（1）速度快（傳輸速率相比4G提高 10到100倍，峰值傳輸速率更是高達(dá)達(dá)10Gbit/s）。（2）頻譜效率提高（相比4G提升5到10倍）。（3）時(shí)間延遲低（減少到ms級(jí)，比 4G 的低10倍）可以很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更高的實(shí)時(shí)性，進(jìn)而達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)，跟真實(shí)環(huán)境實(shí)時(shí)虛擬交互的效果。（4）密度大（設(shè)備的連接密度增加10到100倍，流量密度提高1000倍）。（5）使用更高的頻段（5GHZ左右），在移動(dòng)通信的歷史上，這是首次開(kāi)啟新的頻帶資源。在此之前，只有衛(wèi)星和雷達(dá)系統(tǒng)上使用毫米波應(yīng)用，傳統(tǒng)的移動(dòng)通信工作頻段主要集中在3GHZ以下，5G時(shí)代的到來(lái)可以有效地緩解資源緊張現(xiàn)象，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高速短距離通信，同時(shí)滿(mǎn)足5G容量和速率上的要求。（6）更寬的無(wú)線(xiàn)信道，（1～2G Hz，甚至更寬），無(wú)線(xiàn)更為靈活。

5G是在當(dāng)今高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的促進(jìn)下產(chǎn)生的，5G的高數(shù)據(jù)率及低延遲可以快速地實(shí)現(xiàn)人與萬(wàn)物的互通互聯(lián) ，極大的縮短人與物之間的距離 ，使信息通信不受時(shí)空和地域的束縛，讓用戶(hù)使用起來(lái)更加的方便快捷。5G網(wǎng)絡(luò)是寬帶化、泛在化、智能化、融合化、綠色節(jié)能的網(wǎng)絡(luò)。它將滲透在交通、農(nóng)業(yè)、金融、建筑、電力、辦公、購(gòu)物、醫(yī)療、教育、娛樂(lè)、社交等多種行業(yè)，完美實(shí)現(xiàn)“人與物”、“物與物”之間的高速連接，5G技術(shù)作為信息化社會(huì)的一個(gè)綜合基礎(chǔ)設(shè)施將會(huì)給我們的生活帶來(lái)顛覆式的改變，使整個(gè)人類(lèi)社會(huì)全面進(jìn)入到數(shù)字化的時(shí)代，從而真正實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。

2 5G關(guān)鍵技術(shù)解析

2.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)在5G中的應(yīng)用

在高速、寬帶、信息化發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)流量的需求急劇增加 ，但是頻譜資源又是有限的，因此，如何提高頻譜利用率成為我們急需攻堅(jiān)的課題。目前我們研究的5G移動(dòng)通信系統(tǒng)就是致力于不斷將頻譜利用率提升，它的目標(biāo)是比原有系統(tǒng)的頻譜利用率提高10倍。要想收獲高的頻譜利用率就必須有精良的技術(shù)支撐而這項(xiàng)技術(shù)就是——大規(guī)模MIMO技術(shù)。

MIMO 技術(shù)又被稱(chēng)為多入多出技術(shù)，指的是在系統(tǒng)的發(fā)射端 、接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)，使信號(hào)能夠通過(guò)多個(gè)發(fā)射端和接收端進(jìn)行多天線(xiàn)的傳輸。以前我們用的都是2D的MIMO，為了有效地提升頻譜效率減少對(duì)其他用戶(hù)的干擾，5G移動(dòng)通信技術(shù)將其提升到3D技術(shù)即所謂3D-MIMO技術(shù)。大規(guī)模MIMO在極大程度上增加了天線(xiàn)的數(shù)量。使得天線(xiàn)數(shù)量達(dá)到128根，它將多根天線(xiàn)置于發(fā)射端和接收端。通過(guò)加大了對(duì)發(fā)射功率的復(fù)用和通 信帶寬的復(fù)用讓無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的性能更為完善。大規(guī)模MIMO的優(yōu)勢(shì)在于：（1）由于同一頻率資源支持若干用戶(hù)，更好的提高了空間分辨率。同時(shí)還可以在沒(méi)有基站分裂的條件下實(shí)現(xiàn)空間資源的深度挖掘。（2）由于大規(guī)模MIMO能夠使波束在很短的范圍內(nèi)集中起來(lái)，故能降低波寬較寬而產(chǎn)生的大量干擾。（3）由于使用較多的天線(xiàn)數(shù)量故相比于單一天線(xiàn)系統(tǒng)，大規(guī)模MIMO技術(shù)能夠通過(guò)不同的維度（空域、時(shí)域、頻域、極化域）提升頻譜利用效率和能量利用效率。

大規(guī)模MIMO技術(shù)是一種既可提升系統(tǒng)容量、峰值速率，又可減少能量損耗和傳輸時(shí)延的5G關(guān)鍵技術(shù)，但是天線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程也面臨著一些挑戰(zhàn)，可是隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展我們一定能攻克難關(guān)，實(shí)現(xiàn)完美部署。

2.2 D2D技術(shù)在5G中的應(yīng)用

D2D（Device-to-Device），是一種設(shè)備到設(shè)備直接通信的技術(shù)。用戶(hù)數(shù)據(jù)可不經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)而直接進(jìn)行短距離的終端之間的傳輸。隨著社交網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的發(fā)展，用戶(hù)近距離數(shù)據(jù)通信的需求與日俱增。但是由于現(xiàn)有的蜂窩通信系統(tǒng)不夠靈活，故用戶(hù)需求的強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高可靠性難以滿(mǎn)足，而D2D技術(shù)的出現(xiàn)可以很好的解決上述問(wèn)題。5G中D2D技術(shù)的應(yīng)用對(duì)蜂窩通信系統(tǒng)進(jìn)行了支撐和補(bǔ)充。在D2D通信模式下，用戶(hù)數(shù)據(jù)直接在終端之間傳輸，避免了蜂窩通信中用戶(hù)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)傳輸，由此產(chǎn)生鏈路增益。除此之外，D2D用戶(hù)之間以及D2D與蜂窩之間的資源也可以（下轉(zhuǎn)第34頁(yè)）（上接第98頁(yè)）復(fù)用，并由此產(chǎn)生資源復(fù)用增益。而鏈路增益和資源復(fù)用增益還可提高無(wú)線(xiàn)頻譜資源的效率，從而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。D2D技術(shù)的使用還能降低設(shè)備功耗，提高系統(tǒng)的可靠性。

2.3 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在5G中的應(yīng)用

超密集網(wǎng)絡(luò)能改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，大幅提升系統(tǒng)容量，還可以對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分流，從而達(dá)到靈活組網(wǎng)獲得更高效的頻率復(fù)用。5G超密集網(wǎng)絡(luò)是一種利用宏站與低功率小型化基站進(jìn)行覆蓋的融WiFi，4G，LTE，UMTS等多種無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)混合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)通信目的，5G網(wǎng)絡(luò)需要將自身的站點(diǎn)布設(shè)密度提升至傳統(tǒng)布設(shè)密度的10倍以上，部署小區(qū)、扇區(qū)將達(dá)200個(gè)以上。支持用戶(hù)的范圍達(dá)到25000戶(hù)/每平方公里，甚至可以達(dá)到一個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶(hù)。

超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以使功率效率，頻譜效率得到大幅提升，但是也不可避免的引入了一些問(wèn)題。如何為用戶(hù)分配網(wǎng)絡(luò)資源、運(yùn)營(yíng)商如何開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)管理工作將成為接下來(lái)我們要解決的主要問(wèn)題。

2.4 CCFD技術(shù)在5G中的應(yīng)用

CCFD即同時(shí)同頻全雙工技術(shù)，是指設(shè)備的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)占用相同的頻率同時(shí)進(jìn)行工作的技術(shù)。與傳統(tǒng)的TDD和FDD模式不同，CCFD使移動(dòng)通信上行、下行均在相同的時(shí)間及相同的頻率上。在無(wú)線(xiàn)資源匱乏的今天，CCFD技術(shù)克服了頻譜資源受限，使用頻譜資源更加地靈活多樣，頻譜使用率提升了1倍。同時(shí)CCFD技術(shù)能夠消除通信雙工節(jié)點(diǎn)自身發(fā)射機(jī)信號(hào)的干擾，使移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)更具有靈活性和穩(wěn)定性。

3 5G未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

在過(guò)去30年，通信技術(shù)一直處于自身的變革中?？傮w上來(lái)說(shuō)，通信技術(shù)基本上是10年革新一代。目前我們處于第四代移動(dòng)通信，與此同時(shí)5G已經(jīng)成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的全球性研究熱點(diǎn)，預(yù)計(jì)2020年以后會(huì)是5G的天下。從第一代到第四代移動(dòng)通信技術(shù)，我們研究的重點(diǎn)都是人與人之間如何更好的通信。而第五代移動(dòng)通信技術(shù)，不僅僅使傳輸速度得到大幅度提升，在通信容量及時(shí)延方面也得到根本性的變革。在物聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動(dòng)下，5G將人與人之間的通信擴(kuò)展至物與物之間的通信。5G網(wǎng)絡(luò)能承載更多的設(shè)備連接、擁有更快的反應(yīng)、傳輸更大的流量，未來(lái)在5G網(wǎng)絡(luò)的幫助下我們將開(kāi)啟“萬(wàn)物互聯(lián)”的智慧生活。endprint