5G和未來無線通信技術(shù)初探

陳欣然

（廣州市第二中學(xué)，廣州 510530）

在信息時(shí)代，無線通信技術(shù)作為當(dāng)今世界發(fā)展最迅速的通訊技術(shù)，對人們的生活產(chǎn)生了深刻的變革。無線通信的主要形式包括廣播、無線電、蜂巢式網(wǎng)絡(luò)。在移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)的無線通信技術(shù)統(tǒng)稱為移動(dòng)通信技術(shù)。目前，我國主要采用第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G），隨著物聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，當(dāng)前4G技術(shù)已經(jīng)無法滿足社會和時(shí)代的需求。在這個(gè)背景下，第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）成為現(xiàn)階段國內(nèi)外技術(shù)團(tuán)隊(duì)和專家學(xué)者的研究重點(diǎn)。5G網(wǎng)絡(luò)以5G NR和統(tǒng)一空中接口為基礎(chǔ)，充分利用各種可用頻段和各類頻譜，支持各種設(shè)備類型、服務(wù)和部署，為滿足未來十年及以后不斷擴(kuò)展的全球連接需求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

本文首先闡述了無線通信技術(shù)的原理和無線通信技術(shù)的發(fā)展歷程，然后重點(diǎn)探討了5G通信關(guān)鍵技術(shù)，最后對無線通信技術(shù)的未來發(fā)展做出展望。

1 無線通信技術(shù)原理

無線通信是通過電磁波加載信號，利用天線在自由空間中進(jìn)行接受和發(fā)送信息的一種通信技術(shù)。無線通信的核心技術(shù)是編碼方式、載波和天線、協(xié)議與架構(gòu)。

2 無線通信技術(shù)的發(fā)展歷程

無線通信技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)歷了四次技術(shù)革新，也就是我們所熟知的1G、2G、3G、4G。表1展示了歷代通信技術(shù)的特性。

表1 歷代通信技術(shù)特性表

第一代移動(dòng)通信技術(shù)使用蜂窩電化標(biāo)準(zhǔn)，通過模擬調(diào)制、頻分多址（FDMA）技術(shù)，模擬移動(dòng)電話系統(tǒng)發(fā)送語音。

相對于第一代直接以模擬信號的方式進(jìn)行語音傳輸，2G移動(dòng)通信系統(tǒng)以數(shù)字化方式不僅傳輸語音，具有通話功能，某些系統(tǒng)還引入了簡訊功能。2G技術(shù)基本上可分成兩類：一種是基于TDMA所發(fā)展出來的系統(tǒng)，以GSM為代表；另一種則是基于CDMA規(guī)格所發(fā)展出來的系統(tǒng)。

表2 重要縮寫表

3G服務(wù)能夠同時(shí)發(fā)送聲音（通話）及信息（電子郵件、即時(shí)通信等），代表特征是能夠提供幾百kb/s以上的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

而目前廣泛使用的4G服務(wù)，按照ITU的定義，4G技術(shù)采用正交頻分多址技術(shù)，具有靜態(tài)傳輸速率1Gb/s，用戶在高速移動(dòng)狀態(tài)下可以達(dá)到100Mb/s的速率。4G具有更高的數(shù)據(jù)吞吐量、更低時(shí)延、更低的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本、更高的鑒權(quán)能力和安全能力、支持多種服務(wù)質(zhì)量等級。

3 第五代移動(dòng)通信技術(shù)

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）是現(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。5G網(wǎng)絡(luò)以5G NR統(tǒng)一空中接口為基礎(chǔ)，能夠滿足不斷擴(kuò)展的全球連接需求而設(shè)計(jì)。5G NR技術(shù)能夠支持各種設(shè)備類型、服務(wù)和部署，并將充分利用各種可用頻段和各類頻譜。其意義不僅是網(wǎng)速更快，移動(dòng)寬帶體驗(yàn)更優(yōu)，它的使命更在于能夠連接新行業(yè)、催生新服務(wù)，比如推進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、自動(dòng)駕駛等行業(yè)發(fā)展。

3.1 5G技術(shù)指標(biāo)

（1）數(shù)據(jù)速率。相比于上一代的4G通信系統(tǒng)，5G在數(shù)據(jù)速率上提出了極高的要求，區(qū)域容量要求提高1000倍以上，邊緣速率要求提高1倍，達(dá)到100Mb/s到1Gb/s，峰值速率達(dá)到10Gb/s。

（2）延遲?，F(xiàn)在4G網(wǎng)絡(luò)的往返時(shí)間延遲是15ms，隨著硬件及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時(shí)間延遲標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高，比如移動(dòng)云計(jì)算設(shè)備和可穿戴互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，因此5G網(wǎng)絡(luò)需要新的架構(gòu)和協(xié)議。

（3）能量花費(fèi)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，能耗降低技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。在用戶數(shù)據(jù)速率提高100倍的指標(biāo)要求下，傳輸每比特信息所花費(fèi)的能耗需要降低至少100倍，因此，提高能耗的利用率是5G網(wǎng)絡(luò)重要的研究方向。

（4）設(shè)備接入能力。5G網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的服務(wù)能力，能夠同時(shí)接入更多的用戶。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，單一宏蜂窩不僅能夠支持超過1000個(gè)低傳輸速率設(shè)備，同時(shí)支持普通的高傳輸速率設(shè)備。

3.2 5G關(guān)鍵技術(shù)

5G以4G LTE為基礎(chǔ)，充分利用和創(chuàng)新現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，主要有以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入。OFDM技術(shù)被4G LTE和Wi-Fi系統(tǒng)廣泛采用。其優(yōu)勢在于復(fù)雜度低、頻譜效率高、能耗少、頻率局域化。5G將在4G的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展OFDM波形和多址接入技術(shù)。

（2）靈活的框架設(shè)計(jì)?！办`活”強(qiáng)調(diào)時(shí)域和頻域上的靈活切分。它要求擁有可擴(kuò)展的時(shí)間間隔：相比當(dāng)前的4G LTE網(wǎng)絡(luò)，5G NR將使時(shí)延降低一個(gè)數(shù)量級。自包含集成子幀是另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過把數(shù)據(jù)的傳輸和確認(rèn)包含在一個(gè)子幀內(nèi)，時(shí)延可顯著降低。

（3）先進(jìn)的新型無線技術(shù)。一是大規(guī)模的MIMO技術(shù)是目前無線通信領(lǐng)域的一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新研究項(xiàng)目。通過智能使用多根天線（設(shè)備端或基站端），發(fā)射或接受更多的信號空間流，能顯著提高信道容量；通過智能波束成型，將射頻的能量集中在一個(gè)方向上，可以提高信號的覆蓋范圍。二是毫米波：電磁波頻率越高，能傳輸?shù)男畔⒃蕉?。毫米波?0GHz）的頻率將比之前使用的微波（0.2GHz）更高，毫米波需要解決的關(guān)鍵問題是能量損耗。三是頻譜共享：使用共享頻譜和非授權(quán)頻譜，將5G擴(kuò)展到多個(gè)維度，實(shí)現(xiàn)更大容量、使用更多頻譜、支持新的部署場景。四是先進(jìn)的信道編碼設(shè)計(jì)：目前LTE網(wǎng)絡(luò)的編碼還不足以應(yīng)對未來的數(shù)據(jù)傳輸需求，因此迫切需要一種更高效的信道編碼設(shè)計(jì)。

4 未來展望

目前，5G技術(shù)已攻破較多技術(shù)難題，取得了較大發(fā)展，雖然一些技術(shù)指標(biāo)尚未實(shí)現(xiàn)，未來有望突破這些技術(shù)難關(guān)，并且能夠達(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的延遲、更廣的覆蓋范圍以及更強(qiáng)的服務(wù)能力。物聯(lián)網(wǎng)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離不開5G商用模式的推廣，5G技術(shù)將持續(xù)推進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、自動(dòng)駕駛等未來重要技術(shù)的研究。5G不僅能夠給予用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，更在于其連接各行業(yè)的使命，能夠催生許多新的服務(wù)。