5G移動通信系統發(fā)展綜述

劉雪飛

【摘要】隨著科技的不斷進步和人們需求的不斷提高，使得人們對移動通信網絡的要求越來越高。在這樣的背景下，本文對5G移動通信系統的發(fā)展課題進行詳細的研究。本文對5G移動通信的大致情況進行闡述，并對5G移動系統的標準化進程進行詳細的說明。另外，還對5G移動系統中被公認的關鍵技術極性詳細的說明和總結。

【關鍵詞】5G移動通信系統;通信技術;發(fā)展背景

由于無線網絡的數據承載量顯著的提高，當下的移動通信系統對這樣的需求無法進行充分的滿足，因此，需要對其進行有效的分析研究和更新。本文從移動通信系統的背景、標準化情況和關鍵技術三方面對5G移動通信系統的發(fā)展進行詳細的探討。

一、引言

由于通信技術和計算機技術的快速發(fā)展，使得全新應用層出不窮，從而使無線網絡所承載的數據量顯著的提升。目前，移動網絡已經和人們的生活密不可分，因此現有的移動通信系統已經無法對用戶的需求進行滿足，所以，需要在原有的移動通信系統進行研究和創(chuàng)新。5G移動通信系統與4G移動通信系統相比，優(yōu)勢主要體現在業(yè)務量空前的巨大、單位面積頻譜效率顯著提升、單設備吞吐量巨高。

為了使該要求能夠得到充分的滿足，關于未來移動通信系統的研究和開發(fā)在全球范圍內進行開展，從2013年以來，歐盟、中國以及韓國等各個國家的5G研究機構和計劃逐漸成立，國際電信聯盟在2015年將5G正式命名為IMT-2020，與4G相比，5G在潛在應用場景以及關鍵能力等方面的優(yōu)勢都更加的突出，5G移動通信系統能夠對各種應用場景進行支持，如移動寬帶的增強型、低時延通信的可靠性。目前，人們希望5G在以下關鍵指標中能夠得以提供：第一，超過10Gb/s的峰值數據速率，第二，用戶體驗數據速率能夠達到100Mb/s，第三，3倍的頻譜速率，第四，單位面積業(yè)務能力能達到10Mb/s/km2，第五，網絡能量效率達到100倍，第六，空中時延控制在1ms，第七，支持500km/h的移動速度，第八，連接密度能夠達到106/km2。

二、標準化情況

5G發(fā)展過程中由許多的環(huán)節(jié)組成，標準化工作是其中最重要的一個，其組織形式是由國際電信聯盟發(fā)起，工業(yè)界以及運營商等共同協商制定的，制定完成后需要向國際電信聯盟進行提交審核，國際電信聯盟審核篩選完成后成為5G的國際標準。

國際電信聯盟的5G標準化工作開展要追溯到2012年，5G標準計劃由3個階段構成：第一階段，對預標準化進行研究，通過分析用戶的需求，為未來網絡技術發(fā)展方向的確定提供保障;第二階段，關鍵技術研究的必要性，對關鍵技術的可行性進行科學的評估，并將實際網絡運行和預期效果的一致性當成是研究的關鍵;第三階段，對關鍵技術進行篩選、檢驗和標準化工作，預計標準的制定在2021年能夠完成。

5G標準最重要的制定機構是第三代合作伙伴計劃，該機構的5G標準化工作是在2016年開展的。在同年的6月份，第三代合作伙伴計劃的技術規(guī)范組就Release15的工作計劃達成一致，該計劃不僅涵蓋檢查的重點，而且還提出2018年相關規(guī)定將會出臺和應用，另外，在相關工作計劃討論時，由于無線和協議兩方面設計前向兼容性不僅對分步功能的導入和實現其決定性的影響，而且對5G版本的發(fā)展和應用起著重要的影響作用，因此，第三代合作伙伴計劃的技術規(guī)范組對其重要性進行了重點強調。在2017年召開的第75次3GPPRAN全體代表大會上，首個5G終端標準測試項目即5G新空口測試方法正式被提出并被立項，同時對5G加速的提案進行通過，這使5G標準化取得實質性進展成為了可能。此次5G加速的提案以及5G新空口標準在第三代合作伙伴計劃中被通過，使相關的設備制造商以及芯片商等能夠提前對其進行研發(fā)，從而為向客戶提供標準化的5G 服務奠定基礎。第三代合作伙伴計劃在2017年下半年，將工作的重點放在新標準的制定以及5G標準的制定工作在2020年完成上。

三、關鍵技術

（一）大范圍的MIMO技術

MIMO技術即多天線技術，其作用為使網絡系統的傳輸狀態(tài)能夠保持穩(wěn)定性，因此，其能夠被廣泛的應用于無線通信系統之中。通過相關資料的有效分析可知，天線數量與其穩(wěn)定性和效率呈正相關的關系，因此，在信息系統中，天線的使用量越來越大，但是這樣也會導致其過程的復雜程度越來越大，并且由于占地面積的不斷擴大，使其可行性越來越低。在大規(guī)模的MIMO系統之中，通?；揪咝枰鋫涠鄠€天線，配備2個的是最為常見的，MIMO能夠在統一時頻中，實現對多個用戶需求的滿足，并且信息在天線進行配置時，就會被傳送到天線集中的基站之中，從而形成MIMO 體系。

大規(guī)模的MIMO系統中，基站能夠進行配置數十根天線的操作，這樣不僅可以使數據流的流量得到顯著的提升，而且還能使信號的處理變得更加的簡化，從而使信道硬化得以實現，進而使小尺度衰落現象得到有效的改善和消除。另外，由于大規(guī)模MIMO具備較大的波束賦形增益，從而使其在降低能量消耗方面具有顯著的效果和優(yōu)勢。大規(guī)模的MIMO中的問題主要體現在兩個方面：第一，由于射頻鏈路的大量使用，從而使其成本和能量消耗明顯的提高;第二，需要對收發(fā)天線對之間的信通狀態(tài)信息消耗的頻譜資源進行有效的確定。通常對該種現象的解決方式為采用混合波束賦形，對射頻采用模擬波束賦形，對基帶采用數字波束賦形，并且在基帶和射頻之間使用變頻器對其進行有效連接。

（二）密集網絡技術

由于時間和地點的不同，使網絡中的信息傳輸出現不均勻的現象，為了使這種現象得到有效的解決，密集網絡技術應運而生。該項技術的使用，不僅使得網絡范圍顯著的增寬，而且使系統的容量明顯的增大。5G移動通信在4G的基礎上進行網絡覆蓋面積的增加，為了使該目的得以實現，需要科學的使用密集網絡技術。密集網絡技術實現覆蓋面積增加的方式為：第一，在基站的外部，增加天線的數量，從而達到覆蓋面積增大的目的;第二，在室外進行多個密集網絡的布置，讓密集網絡之間進行共同協作，從而使其有效性和準確性都得到顯著增強，進而使增加覆蓋面積的目的得以實現。密集網絡技術的缺點是會存在一定的干擾，使其高效性被降低。

（三）同時同頻全雙工通信技術

同時同頻全雙工通信技術在雙向通信功能頻譜增強方面具有重要的作用，目前，現有的通信技術都會受到技術等外在因素的影響，從而使雙向通信功能無法得到實現，進而使得無線資源浪費現象的出現，全雙工通信技術的出現對這一現象進行有效的改善。全雙工通信技術能夠對頻譜效率的提高起著促進作用，但是其也會受到外界信號的干擾，雖然對外界干擾具有一定的阻力，但是想要使干擾完全被打破還需要進行深刻的研究。

（四）D2D通信

過去的十幾年之中，使移動數據需求密度發(fā)生變化的因素主要有兩個：第一，由于智能手機的使用量大幅度提升，從而為移動多媒體業(yè)務需求量的增長提供基礎;第二，由于城市化進程的不斷推進，使得城市人口密度顯著的提高，這樣導致移動用戶密度不斷增長的現象出現，與此同時，對設備之間距離的縮短起著一定的直接影響，從而為新通信機會的產生提供保障。目前，由于D2D通信與蜂窩網絡同頻，從而使其關注度顯著的提升。D2D通信使設備不接入無線設施而直接通信成為了可能，但是實現的條件確是相當苛刻的，不僅需要設備具備高密度，而且使時延容忍數據在設備之間的多跳傳輸成為可能性。D2D通信的潛在優(yōu)勢在吞吐量顯著提高、有效節(jié)約設備能耗等方面上得以體現，就移動通信商而言，D2D通信的優(yōu)勢同時體現在經濟方面之中，因為D2D通信投入在網絡硬件升級和全新基站部署上的成本都可以節(jié)省下來，但是在容量和覆蓋增益方面的優(yōu)勢依舊能得以體現。

通過以前的相關資料可知，首次引入D2D通信技術的并不是蜂窩網絡，但是其沒有被大規(guī)模的應用，說明其受到很多因素的限制，如安全性、資金支持等。

（五）毫米波通信

提供系統容量最直接的方法之一就是增加帶寬。由于毫米波含有大量能夠被使用的頻率，因此，其被當做是實現峰值數據速率的關鍵技術。即系統容量和信道帶寬是呈正比的線性關系，對帶寬進行有效增加，就會使系統容量得到顯著的提高。

在一百多年之前，人們對毫米波就開始研究，其主要是在上世紀八十年代開始應用于無線通信之中，當下，由于6GHz以下頻帶中的頻譜資源逐漸呈現出緊張的態(tài)勢，但是毫米波波段資源卻相對比較豐富，從而為人們對毫米波進行研究提供先決條件。例如：在2013年，三星使28GHz頻率上1Gb/s的數據傳輸得以實現，與此同時，谷歌在毫米波通信研究上花費了大量的精力，在2015年，諾基亞與美國國家儀器公司進行聯合，通過對其概念樣機的有效使用，從而使73GHz頻率上15Gb/s的數據傳輸得到有效實現。中國在毫米波通信研究上也花費了大量的人力物力，在2017年世界移動通信大會上，中國移動和華為對Ka波段上20Gb/s的移動接入進行有效的展示。

雖然毫米波通信的優(yōu)點顯而易見，并且對其進行的研究也確定很多優(yōu)秀的成果，但距離其真正的大規(guī)模應用還很遙遠，主要是因為毫米波通信具有路徑損耗、功率損耗、穿透損耗等問題，因此，還需要使其研究向深入化和細致化方向進行。

四、結語

綜上所知，5G系統的研發(fā)工作已經在全球開展，為了使5G系統的目標得以實現，人們對其關鍵技術進行提出和研究，但是這些技術需要進行進一步的研究，才能確定是否能夠得到有效應用。

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