5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢分析

張衛(wèi)民，趙新穎

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460）

移動通信技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)到以數(shù)字移動通信系統(tǒng)為主的時(shí)代，從早期窄帶移動通信到目前以寬帶多媒體移動通信進(jìn)行演進(jìn)與發(fā)展的趨向。面對信息化潮流，在移動通信領(lǐng)域中國只有積極搶占制高點(diǎn)，才能贏得移動通信事業(yè)的發(fā)展先機(jī)。在信息化和工業(yè)深入融合階段，加上人工智能、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展如火如荼，寬帶多媒體移動通信技術(shù)不斷取得重大突破。5G通信作為未來寬帶移動通信技術(shù)為具有獨(dú)特的優(yōu)勢[1]，日益受到了世界各國政府及有關(guān)部門的關(guān)注與認(rèn)同。我國對下一代通信技術(shù)開展了大量的研究工作，獲得了數(shù)量可觀的專利并在技術(shù)上取得了領(lǐng)先優(yōu)勢。本文致力于探析5G移動通信中取得的技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)明晰未來階段的通信技術(shù)演進(jìn)趨向。

1 基本技術(shù)特征

世界上通信技術(shù)發(fā)達(dá)的各國都投入了相當(dāng)?shù)馁Y源研發(fā)5G移動通信技術(shù)爭取在5G標(biāo)準(zhǔn)制定中占據(jù)先機(jī)，并加速布局下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)，它將向千兆移動網(wǎng)絡(luò)和人工智能邁進(jìn)實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”。預(yù)計(jì)到2020年，5G移動通信技術(shù)將作為未來技術(shù)前景廣闊的公共陸地移動通信系統(tǒng)進(jìn)入人們的生產(chǎn)和生活中。與目前商用的4G技術(shù)相比，第5代移動通信系統(tǒng)具備更大的傳輸帶寬、更快的傳輸速率、更多的用戶連接數(shù)、更少的端到端傳輸時(shí)延以及更高的頻譜利用率[2]。一旦商用目前海量接入應(yīng)用場景如車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無人駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療將迅速普及，這將極大地促進(jìn)這些領(lǐng)域的生產(chǎn)效率。5G通信系統(tǒng)應(yīng)用模型如圖1所示。目前3G和4G技術(shù)不能對上述海量接入應(yīng)用提供有效支撐，加快推進(jìn)5G技術(shù)發(fā)展從而促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的真正發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也將推動5G技術(shù)的成熟。

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[3]。采用全新理念設(shè)計(jì)的移動通信系統(tǒng)有助于優(yōu)化系統(tǒng)并降低通信成本。在未來的通信領(lǐng)域?qū)嵺`中，技術(shù)人員仍需著眼于優(yōu)化設(shè)置關(guān)鍵指標(biāo)，以凸顯5G通信手段具備的適用性與技術(shù)性特征。

2 5G移動通信涉及的各項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)

5G移動通信最為凸突顯的優(yōu)勢就在于全面優(yōu)化用戶現(xiàn)有的通信體驗(yàn)，其中包含了多層次的移動通信手段與通信方式。運(yùn)用5G技術(shù)有助于創(chuàng)建雙向性的通信網(wǎng)絡(luò)，在此前提下實(shí)現(xiàn)了同頻率與同時(shí)性的新型無線傳輸模式[4]。下面從無線傳輸技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)。簡要分析5G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 無線傳輸

2.1.1 多載波通信技術(shù)

全雙工技術(shù)結(jié)合多載波通信技術(shù)能夠顯著提升頻譜利用率，多載波通信技術(shù)是在空中接口傳輸技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，利用該技術(shù)可以處理和對抗多徑衰落、增強(qiáng)頻譜效率。只要各個(gè)載波相互間帶寬設(shè)置合理，利用基于濾波器組的多載波技術(shù)可有效防止子載波存在的相互干擾現(xiàn)象，可以發(fā)揮信號處理和多載波技術(shù)功能。因此，多載波技術(shù)具有很好的控制作用。

2.1.2 大規(guī)模天線陣列

在空中接口傳輸中采用多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)可提高系統(tǒng)的頻譜效率、傳輸速率、系統(tǒng)的容量等，增強(qiáng)無線傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃?。MIMO技術(shù)具有空間預(yù)測和分辨率，而且技術(shù)更為成熟，能夠利用發(fā)射接收天線來增加信道的容量，無需增加基站密度即可實(shí)現(xiàn)空間的頻譜效率的增強(qiáng)目標(biāo)[5]，在同一時(shí)間、同一范圍內(nèi)便于基站利用同一個(gè)時(shí)頻資源靈活地為大量用戶接入通信系統(tǒng)提供服務(wù)。利用MIMO技術(shù)在基站中放置大量天線；此外，基站收發(fā)信機(jī)可以通過集中波束功能減小空間干擾，利于增強(qiáng)波束功率。

2.1.3 新型多址技術(shù)和全頻譜技術(shù)

在第5代移動通信系統(tǒng)中采用了全雙工通信技術(shù)，它是利用同一時(shí)頻資源進(jìn)行雙向通信的一種技術(shù)。這種技術(shù)可減少浪費(fèi)無線信道資源，時(shí)頻資源部署更加靈活。目前移動通信系統(tǒng)中同一時(shí)頻資源進(jìn)行全雙工的通信技術(shù)仍不完善，雙工通信是通過頻分雙工（Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD）或者時(shí)分雙工（Time Division Duplexing，TDD）方式進(jìn)行區(qū)分的，這種全雙工通信方式造成了無線信道資源的浪費(fèi)，大約相當(dāng)于浪費(fèi)了一半的無線信道資源。在現(xiàn)階段同一時(shí)頻全雙工技術(shù)是未來移動通信系統(tǒng)中空中接口傳輸研究的一個(gè)重要方向。

2.2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

2.2.1 超密集的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在移動通信中運(yùn)用到多種無線傳輸技術(shù)，同樣5G網(wǎng)絡(luò)中存在各種無線接入技術(shù)。在技術(shù)演進(jìn)中，關(guān)鍵在于全面優(yōu)化部署密度形成多層次的異構(gòu)密集網(wǎng)絡(luò)；未來移動通信系統(tǒng)支持核心應(yīng)用之一的海量接入應(yīng)用等場景。為了能保證第5代移動通信網(wǎng)絡(luò)支持1000倍流量應(yīng)用場景的用戶體驗(yàn)，關(guān)鍵需要減小網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的小區(qū)覆蓋半徑、降低發(fā)射功率、增加節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。這需要超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決5G網(wǎng)絡(luò)中支持海量接入應(yīng)用引起的很多問題，比如提高頻率利用率、網(wǎng)絡(luò)容量、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性等。在5G網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和有線回傳技術(shù)，從而節(jié)約資源、簡化程序，更好地發(fā)揮5G通信技術(shù)的優(yōu)勢。

2.2.2 SON技術(shù)

在目前的移動通信中，通常運(yùn)用運(yùn)營維護(hù)人員對系統(tǒng)中的資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)配。5G移動通信網(wǎng)絡(luò)是采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)方式組網(wǎng)，采用多種技術(shù)，無線收發(fā)信息機(jī)節(jié)點(diǎn)密度較大、隨無線傳播環(huán)境不同其覆蓋能力而不同，各無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間存在切換與控制復(fù)雜的特點(diǎn)；因此，在通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營中將面臨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署、配置、運(yùn)營和維護(hù)方面的挑戰(zhàn)。利用智能化的自組織網(wǎng)絡(luò)（Self-Organizing Network，SON）技術(shù)為5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源配置[3-5]成為一項(xiàng)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。技術(shù)人員可憑借SON技術(shù)來創(chuàng)建全方位的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同模式，如圖2所示。因此未來在技術(shù)改進(jìn)時(shí)，應(yīng)著眼于優(yōu)化效能和設(shè)置無線傳輸參數(shù)和協(xié)同性能的顯著提升。

2.2.3 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）是在第5代移動通信系統(tǒng)中采用的一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與構(gòu)建技術(shù)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點(diǎn)是開放性、靈活性和可編程性。這種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用的核心思想是軟件化、虛擬化和控制與數(shù)據(jù)分離。在5G愿景中，明確提出將利用SDN/NFV作為基礎(chǔ)技術(shù)支撐未來5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展[5]。

在軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，可以將網(wǎng)絡(luò)控制平面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分離開進(jìn)行管理，在控制器上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制功能。無線網(wǎng)絡(luò)中引入SDN思想打破現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的封閉現(xiàn)象，從而提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)互通、優(yōu)化調(diào)配資源，提高無線資源利用率。

2.2.4 云計(jì)算

在未來移動通信系統(tǒng)中引入云計(jì)算[3]，以按需、易擴(kuò)展的方式連接到遠(yuǎn)端的服務(wù)提供商，使得5G移動用戶獲得所需資源。移動云計(jì)算是一種全新的IT資源或信息服務(wù)的交付與使用模式，它可支持大量的應(yīng)用和服務(wù)，為用戶帶來了很大的方便。

3 未來的移動通信技術(shù)演進(jìn)趨勢

移動通信在空中接口利用無線技術(shù)進(jìn)行信息傳遞，其關(guān)鍵、核心通信技術(shù)指標(biāo)包括系統(tǒng)吞吐率、通信頻率資源、無線傳輸時(shí)效性以及系統(tǒng)智能化。5G移動通信技術(shù)從根本上符合現(xiàn)階段人們對未來移動通信技術(shù)的發(fā)展預(yù)期。

即將商用的5G移動通信系統(tǒng)是將4G和WiFi等網(wǎng)絡(luò)融入其中，采用服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）服務(wù)機(jī)制根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量，使用戶動態(tài)連接到信號質(zhì)量最好的無線站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無縫切換，從而為用戶帶來更為豐富的體驗(yàn)。

未來的移動通信系統(tǒng)[6]將朝向更高的吞吐效率、網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)調(diào)整和更優(yōu)的用戶傳輸體驗(yàn)方向發(fā)展，并將顯著提高通信容量和降低綜合性的成本消耗。

4 結(jié)語

5G移動通信是有助于優(yōu)化現(xiàn)階段的通信技術(shù)手段，正日益受到更多青睞。因此在未來的該領(lǐng)域?qū)嵺`中，技術(shù)人員仍需更多關(guān)注5G移動通信呈現(xiàn)出來的新趨向，確保將多種多樣的新型技術(shù)手段運(yùn)用于未來的移動通信中。

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[3]趙國鋒，陳婧，韓遠(yuǎn)兵，等.5G移動通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（4）：441-452.

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