5G通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用場(chǎng)景

李 維

（湖北郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

眾所周知，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)1G到4G的發(fā)展中，其通信的核心始終定位在人和人之間，而5G移動(dòng)通信技術(shù)則不僅僅是將人和人之間的通信作為核心，它在人與人之間通信的基礎(chǔ)上也包含了人與物之間的通信以及物與物之間的通信[1]。因此，相比于1G到4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了重大的突破，無(wú)論是在通信的時(shí)延方面、功耗方面還是在速度方面，都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了顯著提升。同時(shí)，該技術(shù)的應(yīng)用也可以讓現(xiàn)代移動(dòng)通信的安全性、低成本、智能化以及高效性等的諸多需求得以全面滿足。

1 5G通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 大規(guī)模天線技術(shù)

所謂大規(guī)模天線技術(shù)，就是可以將系統(tǒng)容量提升數(shù)十倍乃至數(shù)百倍的一種無(wú)線技術(shù)。該技術(shù)可以為多用戶的波束智能賦型，以降低用戶之間的信號(hào)干擾，讓無(wú)線信號(hào)在覆蓋性能上得到進(jìn)一步改善。相比于可以對(duì)2*2MIMO天線提供支持的3G移動(dòng)通信技術(shù)以及對(duì)8*8MIMO天線提供支持的4G移動(dòng)通信技術(shù)，5G基站需要對(duì)天線陣列進(jìn)行大規(guī)模使用，其天線的數(shù)量可以達(dá)到上百根，并借助于極化域、頻域、時(shí)域以及空域等的各種維度來(lái)實(shí)現(xiàn)能量和頻譜利用效率的全面提升[2]。

通過(guò)大量天線將同傳服務(wù)提供給相對(duì)比較少的用戶，該技術(shù)主要的優(yōu)勢(shì)可表現(xiàn)在如下3個(gè)方面：第一，顯著提升了能量效率與系統(tǒng)容量；第二，顯著降低了上行發(fā)射以及下行發(fā)射中的能量；第三，用戶之間實(shí)現(xiàn)信道正交，可將噪聲和干擾消除；第四，具備了更加穩(wěn)定的信道統(tǒng)計(jì)特征。

1.2 非正交多址接入技術(shù)（NOMA）

相比較以往的OFDMA技術(shù)，非正交多址接入技術(shù)（NOMA）的頻譜效率實(shí)現(xiàn)了30%～40%的提升。為符合5G對(duì)于頻譜效率提升到原來(lái)效率5～15倍的要求，可以將NOMA技術(shù)結(jié)合MIMO技術(shù)應(yīng)用，這樣就可以在基站生成更多的波束，每一個(gè)波束可以服務(wù)于兩個(gè)用戶[3]。具體應(yīng)用中，接收端可以通過(guò)SIC干擾連接技術(shù)以及IRC干擾抑制合并技術(shù)將干擾抵消，前者主要用來(lái)抵消波束之內(nèi)的用戶干擾，后者主要用來(lái)抑制波束之間的干擾。

1.3 直接通信D2D技術(shù)

在5G通信技術(shù)中，D2D技術(shù)的應(yīng)用可以讓用戶和用戶之間不通過(guò)基站就實(shí)現(xiàn)直接通信的目標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入以及連接方式的進(jìn)一步拓展。因?yàn)镈2D可以在短距離之內(nèi)直接進(jìn)行通信，且有著很高的信道質(zhì)量，所以該技術(shù)的應(yīng)用可以讓移動(dòng)終端能耗以及時(shí)延得以大幅度降低，同時(shí)也可以讓頻諧資源發(fā)揮出更高的利用率。

D2D技術(shù)可以按照兩種控制類型進(jìn)行劃分，具體如下。第一，集中式控制。此類控制主要是通過(guò)基站對(duì)D2D連接進(jìn)行控制，移動(dòng)終端可以將測(cè)量信息上報(bào)給基站，以實(shí)現(xiàn)基站對(duì)鏈路信息的全面獲取，但是此類控制會(huì)讓信令負(fù)荷增加。第二，分布式控制。此類控制主要是通過(guò)D2D設(shè)備來(lái)自主建立與聯(lián)系D2D鏈路。與前一種控制類型相比，此類控制可以讓D2D設(shè)備間的鏈路信息獲取變得更加便捷，但是此類控制會(huì)讓D2D設(shè)備復(fù)雜度增加。圖1是D2D技術(shù)的連接示意圖。

圖1 D2D技術(shù)的連接示意圖

1.4 超密集組網(wǎng)DUN技術(shù)

在5G的DUN框架中，實(shí)現(xiàn)了CoMP技術(shù)、D2D技術(shù)、C-RAN技術(shù)、Small Cell技術(shù)以及宏站技術(shù)等的全面融合，這就使其具備了超密集形式的組網(wǎng)效果，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的良好改善，讓系統(tǒng)容量得以大幅度提升，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性和頻率復(fù)用的高效性[4]。在5G通信技術(shù)中，超密集DUN組網(wǎng)形式主要有兩種，第一種是宏基站加微基站形式的組網(wǎng)，第二種是微基站加微基站形式的組網(wǎng)。前者可以實(shí)現(xiàn)控制和承載之間的良好分離，讓容量和覆蓋都單獨(dú)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣就可以在密集組網(wǎng)的條件下避免頻繁切換，讓資源利用率和用戶體驗(yàn)得到進(jìn)一步提升。后者可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)面和控制面之間的良好分離。在低負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中對(duì)微基站進(jìn)行分簇化處理，在同一簇中，所有的微基站可以組成一個(gè)虛擬形式的宏基站，以實(shí)現(xiàn)相同數(shù)據(jù)的發(fā)送。通過(guò)這樣的方式，終端就可以實(shí)現(xiàn)分集收益的接收獲得，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收質(zhì)量的顯著提升。在高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中，所有的微基站都可以作為一個(gè)獨(dú)立小區(qū)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的獨(dú)立發(fā)送，通過(guò)小區(qū)分裂的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量的顯著提升[5]。

2 5G通信技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 eMMB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）型場(chǎng)景

VR技術(shù)作為eMBB型應(yīng)用場(chǎng)景的主要代表，其能夠充顯現(xiàn)出通信寬帶的高能需求，對(duì)于5G通信技術(shù)來(lái)說(shuō)，其基礎(chǔ)的應(yīng)用場(chǎng)景之一就是eMBB。目前，快速、準(zhǔn)確以及穩(wěn)定作為5G通信技術(shù)的核心功能，其在基礎(chǔ)應(yīng)用場(chǎng)景中就可以充分突出快速高效的信息傳輸優(yōu)勢(shì)，如信息同步展示以及VR技術(shù)，同時(shí)也包括超級(jí)網(wǎng)絡(luò)下載。立足于5G通信技術(shù)理論角度，與4G通信技術(shù)相比，其信息傳輸速率要快幾十倍，其中最為直觀的應(yīng)用場(chǎng)景描述就是在1 s內(nèi)能夠順利下載一部時(shí)長(zhǎng)為2 h、容量為2G的高清電影。在ERP形式的投影中，VR-8K分辨率如表1所示。

表1 ERP形式的投影中的VR-8K分辨率

2.2 uRLLC（超可靠、超低時(shí)速通信）型場(chǎng)景

uRLLC型應(yīng)用場(chǎng)景最為典型的就是自動(dòng)駕駛，其能夠充分體現(xiàn)出即時(shí)可靠的通信需求，在5G通信技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中優(yōu)勢(shì)最為突出的就是uRLLC型應(yīng)用場(chǎng)景。在我國(guó)現(xiàn)階段，5G通信技術(shù)最為突出的優(yōu)勢(shì)就是高傳輸與可靠性。根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)理論可知，其下行速度為10 Gb/s，這也意味著其下載速度可以達(dá)到1.25 Gb/s，因此其傳輸過(guò)程中的連續(xù)性較好,并且可以確保數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)即時(shí)性、可靠性以及高效性等，這就可以促進(jìn)5G通信技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景得以實(shí)現(xiàn)[6]。例如，自動(dòng)駕駛與無(wú)人機(jī)等，均是5G通信技術(shù)的應(yīng)用成果。表2是5G通信技術(shù)與4G通信技術(shù)的傳輸速度與時(shí)延對(duì)比。

表2 5G通信技術(shù)與4G通信技術(shù)的傳輸速度與時(shí)延對(duì)比

2.3 mMTC（海量機(jī)器類通信）型場(chǎng)景

在這一應(yīng)用場(chǎng)景中，一個(gè)最具代表性的實(shí)例就是智慧城市，它是大量機(jī)器之間通信需求實(shí)現(xiàn)的一種充分體現(xiàn)。相比于mMTC，uRLLC以及eMMB都屬于5G通信技術(shù)的微觀應(yīng)用場(chǎng)景，這兩種場(chǎng)景并不具備強(qiáng)大的連接功能，但是mMTC這一場(chǎng)景的連接功能卻十分強(qiáng)大。該場(chǎng)景的一個(gè)主要功能是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境以及消費(fèi)環(huán)節(jié)之間的全面覆蓋[7]。通過(guò)這樣的方式，不僅可以在互聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境以及消費(fèi)環(huán)節(jié)的全面融入，同時(shí)也可以將整個(gè)市場(chǎng)都融入到互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，以達(dá)到萬(wàn)物互聯(lián)互通的效果。將5G通信技術(shù)應(yīng)用到智慧城市中，可實(shí)現(xiàn)各種事物之間的智能化連接與管理，如井蓋管理、路口管理以及路燈管理等，同時(shí)也可以保障基礎(chǔ)交通設(shè)備運(yùn)行的順利進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)其安全性和穩(wěn)定性的進(jìn)一步提升。

3 結(jié) 論

5G通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)有很多種，如大規(guī)模天線技術(shù)、非正交多址接入技術(shù)（NOMA）、直接通信D2D技術(shù)和超密集組網(wǎng)DUN技術(shù)等。通過(guò)這些關(guān)鍵技術(shù)，可以讓5G通信技術(shù)在原來(lái)4G通信技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)傳輸速度、穩(wěn)定性和及時(shí)性的顯著提升，進(jìn)而在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮出充分的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，5G通信技術(shù)也有很多的應(yīng)用場(chǎng)景，其中基礎(chǔ)應(yīng)用場(chǎng)景包括eMMB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）型場(chǎng)景、uRLLC（超可靠、超低時(shí)速通信）型場(chǎng)景、mMTC（海量機(jī)器類通信）型場(chǎng)景。將5G通信技術(shù)應(yīng)用到這些場(chǎng)景中，可更加充分地發(fā)揮出該技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，以全面促進(jìn)各個(gè)領(lǐng)域的良好發(fā)展。