5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

付僅華

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5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

付僅華

廣東南方電信規(guī)劃咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司惠州分公司，廣東 惠州 516003

近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和需求的增加，較4G技術(shù)更高端、更便捷的5G移動(dòng)通信技術(shù)的研發(fā)，得到了人們的廣泛關(guān)注。因此，對(duì)5G移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的研究討論。

5G移動(dòng)通信；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展趨勢(shì)

引言

4G技術(shù)在人們的生活和工作中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，然而隨著軟件和智能通信工具的不斷開發(fā)和更新，對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)的需求也隨之增長(zhǎng)，5G技術(shù)即將再次改變?nèi)藗兊纳睢?G技術(shù)的產(chǎn)生和實(shí)踐會(huì)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)、用戶終端、應(yīng)用場(chǎng)景以及業(yè)務(wù)進(jìn)行進(jìn)一步的創(chuàng)新和融合。

1 5G移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢(shì)

2012年，國際電信聯(lián)盟（ITU）開始組織全球業(yè)界啟動(dòng)5G愿景、流量預(yù)測(cè)和未來技術(shù)趨勢(shì)等前期研究，提出5G將大幅提升“以人為中心”的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)體驗(yàn)，同時(shí)全面支持“以物為中心”的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物以及物與物的智能互聯(lián)的總體愿景。ITU以5G前期研究成果為指引，提出5G網(wǎng)絡(luò)將向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)行業(yè)需求已由公眾用戶向行業(yè)用戶延伸。研究和交流的不斷深入，使得業(yè)界對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)和性能都達(dá)成了共識(shí)。海量機(jī)器類通信、超高可靠低時(shí)延通信及增強(qiáng)移動(dòng)寬帶，這些都是5G網(wǎng)絡(luò)主要涵蓋的應(yīng)用場(chǎng)景。為適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，在5G關(guān)鍵能力指標(biāo)方面，在保留傳統(tǒng)的移動(dòng)性、頻譜效率、峰值速率和時(shí)延的基礎(chǔ)上，ITU還提出了連接數(shù)密度、用戶體驗(yàn)速率、能效和流量密度等4個(gè)新增關(guān)鍵能力指標(biāo)[1]。

為滿足移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展要求，未來5G網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：（1）數(shù)據(jù)流量密度提升1?000倍；（2）設(shè)備連接數(shù)目增加10～100倍；（3）用戶體驗(yàn)速率改善10～100倍；（4）MTC終端待機(jī)時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)10倍；（5）端到端時(shí)延縮短5倍。為了應(yīng)對(duì)未來5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展、維護(hù)、運(yùn)營(yíng)的需求，需要從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線頻譜、無線接入技術(shù)等多個(gè)層面綜合考慮。未來5G網(wǎng)絡(luò)需要具備靈活性、可編程性和可擴(kuò)展性，所以這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn)；同時(shí)多種無線接入技術(shù)的引入同樣需要未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)做出相應(yīng)的改良，最大限度挖掘新技術(shù)的性能增益，因此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在無線頻譜的開發(fā)利用中，高頻段甚至超高頻段和非授權(quán)頻段的使用、離散頻段的聚合和低頻段的重耕等為滿足未來頻譜資源的需求提供了可能的解決方案。毫米波技術(shù)、大規(guī)模天線技術(shù)、新型多址技術(shù)、全雙工技術(shù)、超密集組網(wǎng)（UDN）和終端直通（D2D）技術(shù)等都對(duì)提升頻譜利用率、增強(qiáng)5G網(wǎng)絡(luò)性能做出了一定的貢獻(xiàn)。

2 5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)分析

5G移動(dòng)通信主要依靠超高效能的無線傳輸技術(shù)和高密度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提升系統(tǒng)性能。在實(shí)際操作和技術(shù)應(yīng)用中，主要依靠無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、全雙工技術(shù)、直接通信技術(shù)、高頻網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等。接下來對(duì)5G移動(dòng)通信的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、全雙工技術(shù)、直接通信技術(shù)及高頻網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

在信息技術(shù)的發(fā)展過程中，關(guān)于提高傳輸效率和方法的探討一直存在。5G移動(dòng)通信的發(fā)展，更重視天線的使用情況，對(duì)MIMO系統(tǒng)的應(yīng)用也在逐步增加。天線技術(shù)是提高系統(tǒng)頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段，已經(jīng)應(yīng)用于3G、LTE、LTE-A和WLAN等多種無線通信系統(tǒng)。由信息論可知，天線數(shù)量越多，頻譜效率和可靠性提升越明顯。MIMO系統(tǒng)，即發(fā)送端和接收端均放置多個(gè)天線，形成MIMO通信鏈路。MIMO可以在不增加帶寬或總發(fā)射功率損耗的情況下大幅增加系統(tǒng)的吞吐量和傳輸距離。當(dāng)發(fā)射和接收天線數(shù)量很大時(shí)，MIMO信道容量將隨收發(fā)天線數(shù)中最小值近似線性增長(zhǎng)。目前的無線通信系統(tǒng)中收發(fā)端配置的天線數(shù)量都不多，但由于其巨大的容量和可靠性增益，針對(duì)大天線數(shù)的 MIMO系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究日益深入。2010年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Marzetta研究了多小區(qū)、TDD情況下，各基站配置無限數(shù)量天線的極端情況下的多用戶MIMO技術(shù)，提出了大規(guī)模MIMO的概念[2]。之后，在此基礎(chǔ)上眾多研究人員研究了基站配置有限天線數(shù)量的情況。

根據(jù)天線配置的方式不同，大規(guī)模MIMO可分為集中式的大規(guī)模MIMO和分布式的大規(guī)模MIMO。數(shù)量巨大的天線集中配置在一個(gè)基站上，形成集中式的大規(guī)模MIMO。5G無線接入網(wǎng)將在“宏輔助小蜂窩”中使用大規(guī)模MIMO，采用較低頻段全方位提供控制平面業(yè)務(wù)；小蜂窩則利用毫米波頻段，使用高度定向的大規(guī)模MIMO波束承載用戶平面的通信業(yè)務(wù)。在5G頻段，包含幾百數(shù)量級(jí)天線的陣列是可行的。

2.2 全雙工技術(shù)

全雙工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在同一時(shí)間和同一頻率下，更便捷地進(jìn)行雙向通信。在已有的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)和終端在發(fā)射和接收信號(hào)時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象極大地阻礙了信息的發(fā)射接收效率和質(zhì)量。因此，針對(duì)這個(gè)問題，在5G移動(dòng)通信的研究上進(jìn)行了改進(jìn)。受現(xiàn)有技術(shù)水平限制，想要實(shí)現(xiàn)雙向通信時(shí)二者同時(shí)同頻還十分困難。就全雙工技術(shù)而言，從理論上來看，頻譜的利用率被提升了不到一倍，可以靈活地使用。伴隨信號(hào)處理技術(shù)以及器件技術(shù)的迅速發(fā)展，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)也將充分應(yīng)用與挖掘同時(shí)同頻的全雙工技術(shù)。

2.3 直接通信技術(shù)

在不同的設(shè)備之間，利用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直接通信，能夠有效降低通信時(shí)的能源消耗和延遲。直接通信技術(shù)的使用不僅能夠更好地發(fā)揮頻譜資源的作用，而且也能顯著提升5G通信效率和質(zhì)量。

在5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，要想將數(shù)據(jù)流量提高到超過1?000倍以上，必然要通過密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的形式來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。將5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量在室內(nèi)與熱點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行分布，不斷提升用戶性能，有助于網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的提升?，F(xiàn)階段，智能終端設(shè)備的使用非常普遍，用戶對(duì)于數(shù)據(jù)流量的要求也越來越高。因此，5G移動(dòng)通信要實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)，必須通過超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。通過應(yīng)用超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不僅可以提高系統(tǒng)的容量，而且能夠擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，但同時(shí)也存在很多缺點(diǎn)。比如在較小的范圍內(nèi)，存在一定程度的干擾，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)能效的提升非常不利。由此可見，5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展只有依靠云計(jì)算平臺(tái)，并在自動(dòng)模式與智能配置之間進(jìn)行切換，才能實(shí)現(xiàn)5G移動(dòng)通信的自動(dòng)智能組網(wǎng)。

2.4 高頻網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

由于互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代信息資源共享性的提升，信息傳遞極為便利，因此現(xiàn)階段移動(dòng)終端用戶的激增，導(dǎo)致了市場(chǎng)資源被劇烈地瓜分和爭(zhēng)搶。競(jìng)爭(zhēng)加劇會(huì)導(dǎo)致資源的相互沖突，從而影響信號(hào)的穩(wěn)定性。

目前頻段過多導(dǎo)致了頻譜資源的擁擠，使得大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸頻段都集中在3?GHz，高頻段使用率極低。然而高頻段中同樣具有豐富的資源。進(jìn)一步開發(fā)和完善高頻網(wǎng)絡(luò)傳輸，不但能夠有效地緩解資源爭(zhēng)搶問題，還能夠提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。但是這種技術(shù)也會(huì)受到氣候環(huán)境以及距離等因素的影響，弱化信號(hào)的穿透能力。所以，在開發(fā)和研究時(shí)，還需要監(jiān)測(cè)中心進(jìn)一步研究系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不斷提升資源優(yōu)化配置的效率。

3 結(jié)語

現(xiàn)階段，5G技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣有助于信息的利用和傳輸。雖然5G技術(shù)尚處于萌芽階段，但是經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的總結(jié)和思考，以及對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)的展望，能夠從觀點(diǎn)和思路上進(jìn)一步推動(dòng)5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展。

[1]李榮偉. 5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 中國新通信，2018，20（2）：25-27.

[2]張榮國. 淺談5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2017，13（22）：62-63.

Research on Development Trend and Key Technologies of 5G Mobile Communication

Fu Jinhua

Huizhou Branch of Guangdong Southern Telecommunication Planning & Consulting Institute Co., Ltd.,Guangdong Huizhou 516003

In recent years, with the development of technology and the increase of demand, the research and development of 5G mobile communication technology is more advanced and convenient than 4G technology, and has received widespread attention. Therefore, the paper briefly discusses the development trend and key technologies of 5G mobile communications.

5G mobile communications; key technologies; development trend

TN929.53

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