5G通信關(guān)鍵性技術(shù)

陳世勇

（北京交通大學(xué)，北京 100044）

0 引言

在通信技術(shù)快速發(fā)展的四十年，通信技術(shù)經(jīng)歷了四次變革，從1G網(wǎng)絡(luò)到4G網(wǎng)絡(luò)，從最原始的模擬信號(hào)傳輸，到后來(lái)更為安全快速的數(shù)字信號(hào)傳輸，通信技術(shù)在安全性、穩(wěn)定性、傳輸速率、信道容量等方面均取得了巨大的提升。當(dāng)今第五代蜂窩網(wǎng)技術(shù)即將到來(lái)，首先我們需要明白什么是5G技術(shù)。5G只是4G技術(shù)的改善與發(fā)展嗎？還是一種對(duì)蜂窩網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)生顛覆性改變的新技術(shù)？這篇文章主要論述5G移動(dòng)通信技術(shù)所包含的關(guān)鍵性技術(shù)。

1 5G采用毫米波通信

以往的通信技術(shù)中均采用微波進(jìn)行信號(hào)傳輸，3G和4G網(wǎng)絡(luò)主要使用1880Hz至2635Hz的頻譜范圍，因?yàn)樵?000Hz以下的可用頻譜資源中可以提供更好的傳播特性。微波具有良好的抗災(zāi)能力，自然環(huán)境中存在的水災(zāi)，風(fēng)災(zāi)，地震等自然災(zāi)害對(duì)微波信號(hào)一般不產(chǎn)生影響。同時(shí)微波具有較大的帶寬和容量，使其被現(xiàn)存的通信設(shè)備廣泛采用。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，微波頻段大部分已經(jīng)被使用，現(xiàn)在可用的微波頻段已經(jīng)成為一種稀缺的資源。雖然微波段的頻譜資源變得稀少，但是毫米波段具有豐富的可利用頻譜資源，毫米波的一些特性引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的“淘金熱”。世界各地的公司和研究人員正在研究著毫米波各方面的傳輸特性。雖然當(dāng)今人們對(duì)毫米波的特性還未完全了解，但是毫米波在短程服務(wù)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。5G通信技術(shù)將使用頻譜范圍從30GHz到300GHz的毫米波頻段，并且這些可用頻譜資源大約是3G/4G網(wǎng)絡(luò)的200倍以上[1]。從通信原理的角度來(lái)看，無(wú)線通信的最大信號(hào)帶寬取決于載波頻率，載波頻率越高，可以使用的信號(hào)帶寬就越大。在5G通信技術(shù)中，信號(hào)將會(huì)擁有更大的帶寬。在毫米波中，28GHz和60GHz附近的頻譜是承載5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的兩個(gè)最合適的頻帶。而且28GHz附近的可用頻譜帶寬可以達(dá)到1GHz，而接近60GHz的可用信號(hào)帶寬可以達(dá)到2GHz，因此可以承載5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的總頻譜帶寬大約為3GHz。對(duì)于4GlTE網(wǎng)絡(luò)，其最高載頻帶寬約為2GHz，因此其可用頻譜帶寬僅為100MHz。對(duì)比毫米波和微波可用信號(hào)帶寬，5G帶寬可以增加十倍左右，當(dāng)需要傳輸?shù)男畔⒘看_定時(shí)，更寬的頻譜帶寬使5G信號(hào)的傳輸速度幾乎比4G網(wǎng)絡(luò)快十倍。從理論上講，信號(hào)傳輸時(shí)間將會(huì)大幅度減少，在實(shí)際生活和工程應(yīng)用中4G網(wǎng)絡(luò)的延遲約為10～20ms，而5G網(wǎng)絡(luò)的延遲僅為1～4ms。低延遲使實(shí)時(shí)傳輸和終端實(shí)時(shí)響應(yīng)成為可能，這對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展至關(guān)重要。

2 5G大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模MIMI技術(shù)是5G技術(shù)中的一項(xiàng)重要的核心技術(shù)，他可以充分利用空間資源，提高通信質(zhì)量。MIMO技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端設(shè)置多個(gè)發(fā)射天線和接受天線的技術(shù)，使信號(hào)在多個(gè)信號(hào)發(fā)射裝置和接受裝置之間進(jìn)行傳輸，通過(guò)這種信號(hào)多收多發(fā)的形式，可以在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的前提下，成倍地提高信道容量和接受端天線功率，以改善通信質(zhì)量[2]。大規(guī)模MIMO技術(shù)并不是一項(xiàng)新生技術(shù)，他是從MIMO技術(shù)中擴(kuò)展和延伸過(guò)來(lái)的。MIMO技術(shù)在在4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，只不過(guò)當(dāng)時(shí)的規(guī)模遠(yuǎn)小于5G天線規(guī)模。在4G中使用的MIMO技術(shù)最多使用8個(gè)天線，而在5G通信技術(shù)中波束賦形通過(guò)數(shù)十到數(shù)百根天線實(shí)現(xiàn)單用戶(hù)和多用戶(hù)的空分復(fù)用，可以有效提升頻譜效率5～10倍，是5G通信的核心技術(shù)[3]。大規(guī)模MIMO技術(shù)又稱(chēng)為大規(guī)模天線陣列，通過(guò)大規(guī)模天線陣列實(shí)現(xiàn)波束賦形。波束賦形技術(shù)是一種可以根據(jù)特定場(chǎng)景自適應(yīng)的調(diào)整天線整列°的輻射圖的技術(shù)。在以往的通信技術(shù)中使用單天線的通信方式，基站到移動(dòng)設(shè)備之間的通信只能依靠單天線到單天線的電磁波通信，在這種情況下，天線的輻射方位不可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)，就會(huì)導(dǎo)致天線輻射方位角固定不變，進(jìn)而使頻帶可服務(wù)的用戶(hù)數(shù)受到限制。在大規(guī)模MIMO技術(shù)中，天線陣列可以自適應(yīng)調(diào)整每個(gè)天線發(fā)射信號(hào)的相位。通過(guò)這種方式在移動(dòng)接收端形成電磁波的有效疊加，可以產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)增益來(lái)克服損耗，從而達(dá)到改善通信質(zhì)量的目的。

3 5G M2M通信技術(shù)

在5G通信技術(shù)中，信道帶寬增寬，信號(hào)傳輸延遲降低，以及信道容量擴(kuò)大，這些特性使機(jī)器對(duì)機(jī)器的及時(shí)通信得以實(shí)現(xiàn)。M2M，是Machine-to-Machine的縮寫(xiě)，即機(jī)器對(duì)機(jī)器通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，通過(guò)在傳統(tǒng)機(jī)器上安裝傳感器，信息處理裝置，傳輸裝置等來(lái)賦予機(jī)器收集信息處理信息和交流信息的能力，賦予機(jī)器智能的屬性，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器之間的信息交流。M2M技術(shù)主要是以設(shè)備通信為中心，當(dāng)前市場(chǎng)上應(yīng)用的M2M技術(shù)主要有，移動(dòng)物流管理，移動(dòng)支付，移動(dòng)監(jiān)控等新興技術(shù)。M2M的本質(zhì)是機(jī)器與機(jī)器之間的數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器的信息互通就需要通信領(lǐng)域內(nèi)多方面技術(shù)配合。首先需要M2M硬件也就是智能化機(jī)器，這些機(jī)器需要具備信息感知，信息加工和信息傳輸?shù)哪芰Α?shí)現(xiàn)信息互通離不開(kāi)通信網(wǎng)絡(luò)，通信網(wǎng)絡(luò)是M2M通信框架的核心，在5G時(shí)代通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍將會(huì)更廣，傳播速度將會(huì)更快。5G通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通還需要中間件，實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，在IT系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)之間建立橋梁。在5G技術(shù)的支持下M2M技術(shù)將會(huì)將會(huì)得到更快速的發(fā)展，在生活中的各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

這篇文章主要簡(jiǎn)紹了5G通信技術(shù)中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，首先是5G信號(hào)采用毫米波通信，由于毫米波的一些特性使得5G通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和傳播延遲等信號(hào)傳播特性均得到根本性改善。然后簡(jiǎn)紹了大規(guī)模MIMO技術(shù)，通過(guò)天線陣列的自適應(yīng)技術(shù)，使接收端可以獲得更大的信號(hào)增益，從而改善通信質(zhì)量。在5G網(wǎng)絡(luò)低延時(shí)，大容量的特性支持下，M2M技術(shù)將會(huì)得到快速的發(fā)展，在交通，電力，智能家居等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。5G通信技術(shù)的發(fā)展將會(huì)在工業(yè)界和人們生活中引起巨大的改變。