5G移動通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及研究

容經(jīng)雄

【摘要】 ? ?近年來，無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展速度不斷加快，4G通信技術(shù)已逐漸走向成熟，在此背景下，各個國家都開始著手于針對5G移動通信技術(shù)的研究?，F(xiàn)階段，我國在5G移動通信技術(shù)方面所進(jìn)行的研究已經(jīng)走到了世界前列，在和其他國家的競爭中有著明顯優(yōu)勢。為了進(jìn)一步推動5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使其能夠在各行各業(yè)中的應(yīng)用發(fā)揮更大作用，本文結(jié)合實(shí)際情況，針對5G移動通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的關(guān)鍵技術(shù)展開了深入研究，希望能夠推動5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在今后的發(fā)展與應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 ? ?5G ? ?移動通信網(wǎng)絡(luò) ? ?關(guān)鍵技術(shù)

引言：

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得了非常大的進(jìn)步，從剛開始的2G、3G、4G直到當(dāng)前的5G，每一代技術(shù)都經(jīng)過了一個周期的發(fā)展。雖然已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年，無論是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蔬€是穩(wěn)定性都有了極大的提高，但在信息時代下的今天，移動信息服務(wù)依舊面臨著非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。所以，對5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)所進(jìn)行的研究是非常有必要的，并且在今后的幾年當(dāng)中，5G將會逐漸徹底的替代4G，成為新一代的主流移動通信技術(shù)。現(xiàn)階段，各國針對5G技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)還未形成明確的定義，所以，無論是國內(nèi)還是國外都在探索針對于5G通信的革命性技術(shù)和具體的標(biāo)準(zhǔn)。在今后，5G技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸率將會得到顯著提高，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對信息數(shù)據(jù)的高效傳輸，還能夠用各行各業(yè)智能化、自動化的發(fā)展。為了給5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供幫助，使用戶的體驗(yàn)得到改善，本文針對5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

一、5G移動通信網(wǎng)絡(luò)概述

伴隨著4G移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，移動通信網(wǎng)絡(luò)用戶的數(shù)量有了很大的提高，而人們對網(wǎng)絡(luò)速度的要求也變得越來越高，在此背景下，5G移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過對5G移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用，能夠使人們在通信速度方面的要求得到滿足，同時給用戶帶來更好的移動通信服務(wù)。作為全新的無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，5G的主要作用就是滿足當(dāng)前人們在移動通信方面的需求。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的迅速增長，當(dāng)前對于移動通信網(wǎng)絡(luò)的要求也變得更高，而5G憑借自身所具有的成本低、安全可靠等的優(yōu)勢而得到了廣泛應(yīng)用，其傳輸效率提高了10到100倍左右，峰值傳輸速率可達(dá)10Gbit/s，端到端的時延顯著降低，流量密度提高了上千倍，在實(shí)際應(yīng)用中，其可以在500km/h的速度下滿足用戶的體驗(yàn)需求。通過對5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，將會使信息打破時間與空間方面的限制，使用戶的交互體驗(yàn)得到極大的改善，并且還將使人與物間的距離變得更大，達(dá)到人和萬物互通互聯(lián)的目的。

二、5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢

2.1更高的網(wǎng)絡(luò)通信速率

針對于5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所進(jìn)行的研究是以4G技術(shù)為基礎(chǔ)而開展的，在近幾年發(fā)展的過程當(dāng)中，我國4G技術(shù)逐漸走向成熟，在各個領(lǐng)域的應(yīng)用當(dāng)中發(fā)揮了巨大作用。所以，在5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展上，我國有著比較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這也為5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究與發(fā)展提供了良好條件。經(jīng)過長期的發(fā)展，社會生活的節(jié)奏相較于以往變得更快，移動通信網(wǎng)絡(luò)用戶對于技術(shù)的要求集中表現(xiàn)在了速率的提高上。造成這種情況的原因就是雖然4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的速率和以往相比有了明顯提高，但依然還是無法滿足當(dāng)前用戶越來越高的需求。用戶在對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)倪^程當(dāng)中，很多情況下都是于低信道頻段當(dāng)中進(jìn)行的，雖然可以確保傳輸?shù)馁|(zhì)量，同時也無需運(yùn)營商耗費(fèi)太多的成本用來對基站進(jìn)行建設(shè)。但就實(shí)際來看，低頻資源的有限性將會對網(wǎng)絡(luò)用戶的接入造成很大的限制，不能夠給更多的用戶提供接入服務(wù)。和國外不同的是，在我國，資源頻段基本都是通過政府來分配的，而國外則需要由競爭來獲取。所以，當(dāng)前我國所存在的一個問題就是對于低頻資源的分配沒有太多市場競爭規(guī)律的主導(dǎo)，這就對移動通信技術(shù)的發(fā)展造成了很大影響?，F(xiàn)階段，4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的載波頻率基本都在20MHz左右，在進(jìn)行傳輸?shù)臅r候，大都采用了多載撥碼分多址技術(shù)，以做到對眾多載波的聚合，使傳輸?shù)乃俾首兊酶?。基于這樣的情況，在研發(fā)5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的過程當(dāng)中，同樣需要對高頻資源引起重視，盡可能的加強(qiáng)傳輸?shù)乃俾剩@也是MMO系統(tǒng)被提出與發(fā)展的重要基礎(chǔ)，通過高頻段資源來實(shí)現(xiàn)對信號的傳輸，就可以由波長較短而使天線的長度變短，這就可以減少對天線間距離方面所提出的要求，以使得基站能夠?qū)崿F(xiàn)集成天線的相關(guān)設(shè)計(jì)。

2.2更大的容量

在物聯(lián)網(wǎng)的概念被提出以后，社會當(dāng)中的各個領(lǐng)域都對其予以了高度的關(guān)注，但就目前來看，它的發(fā)展還存在一定的不足，還有著很大的發(fā)展空間，這是因?yàn)樵谝苿咏K端的能耗和無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋等方面都有著一定的限制而造成的，這就致使互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)下的應(yīng)用領(lǐng)域還有一定的局限?？紤]到終端方面的功耗問題是對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展存在影響的一個關(guān)鍵因素，所以，必須要盡可能的解決功耗方面所存在的問題。主要是因?yàn)榻K端在接入網(wǎng)絡(luò)的過程當(dāng)中，將涉及到眾多節(jié)點(diǎn)，但部分終端在進(jìn)行使用時沒有能夠二次充電的環(huán)境，所以，通常都僅僅是通過自身的電池來維持服務(wù)。為使此方面的問題得到解決，3GPP曾通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來控制終端使用的功率，減小網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，并使得信號發(fā)射的功率變低，從而實(shí)現(xiàn)對電能的節(jié)省。雖然使得物聯(lián)網(wǎng)終端的實(shí)時性變得更低，但不會對它的實(shí)際應(yīng)用帶來太大影響。所以，針對5G技術(shù)所進(jìn)行的研究，就需要對此方面的成果予以關(guān)注，同時將此當(dāng)作基礎(chǔ)來達(dá)到節(jié)能省電的目的。

2.3更低的移動網(wǎng)絡(luò)延遲

在使用了LTE網(wǎng)絡(luò)以后，移動網(wǎng)絡(luò)的延遲減小到了不到100ms，這就給網(wǎng)絡(luò)用戶提供了質(zhì)量更好的網(wǎng)絡(luò)連接體驗(yàn)，大大減小了網(wǎng)絡(luò)延遲對于用戶滿意度所造成的影響。隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，在使用LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，使網(wǎng)絡(luò)的延遲得到進(jìn)一步的減小，從而給移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供更好的條件。因?yàn)長TE網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一個TTI為1ms，而5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在對幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，通常是利用對所有子幀時域的縮短來實(shí)現(xiàn)物理上時延的降低。在實(shí)際應(yīng)用中，5G網(wǎng)絡(luò)端到端的時延可以減小到4G網(wǎng)絡(luò)的十分之一，實(shí)現(xiàn)毫秒級的時延，可在450Km/h高速環(huán)境下做到穩(wěn)定通信。

三、5G移動通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

3.1大規(guī)模MIMO技術(shù)

在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)當(dāng)中，大規(guī)模MIMO技術(shù)是非常重要的一項(xiàng)技術(shù)，對于該技術(shù)的使用能夠使頻譜效率得到有效提高。就大規(guī)模MIMO技術(shù)來看，它也被叫做大型天線，主要就是在4G技術(shù)的基礎(chǔ)之上，通過多8根天線實(shí)現(xiàn)對最多成百上千根服務(wù)天線的使用，此技術(shù)的發(fā)展能夠使基站的多個用戶在同一時間實(shí)現(xiàn)即時通信。額外天線能夠使信號能量傳輸及接收整合于較小的空間當(dāng)中，從而在同時對大量用戶終端進(jìn)行調(diào)度的情況下，能夠得到更多的吞吐量并使得能源效率得到提高。大規(guī)模MIMO技術(shù)剛開始的設(shè)想主要為時分雙工操作，但還能夠應(yīng)用到頻分雙工操作。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，該技術(shù)還有著使用元件成本較低、功耗不高等的特點(diǎn)，能夠使延遲變得更低，得到了用戶的廣泛使用，該技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展使許多原本的問題都得到了解決，同時還給信息技術(shù)的發(fā)展與研究明確了方向。除此之外，在大規(guī)模MIMO技術(shù)方面，還有許多新的研究問題需要予以重視。如怎樣實(shí)現(xiàn)對大量低成本低精度部件的充分結(jié)合，在終端內(nèi)怎樣對新加入的資源進(jìn)行分配，如何針對額外的天線進(jìn)行開發(fā)并提供服務(wù)，還有怎樣減小內(nèi)部功耗來實(shí)現(xiàn)對總能耗的減小等。

3.2毫米波通信

毫米波的理論及技術(shù)分別是微波向高頻的延伸及光波向低頻的發(fā)展。當(dāng)下世界上使用的頻段資源都是比較稀缺的，所采用的無線電信系統(tǒng)的頻譜大都不超過6GHz，而在毫米波頻段當(dāng)中的資源卻很多，還沒有得到真正充分的開發(fā)與利用。所以5G會在9.9GHz～86GHz的范圍內(nèi)進(jìn)行全新的RAT技術(shù)研究，基于LTE技術(shù)來實(shí)現(xiàn)針對網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋的相關(guān)研究。9.9GHz～86GHz主要是作為超密集網(wǎng)絡(luò)，因此UDN層與LTE層是重疊覆蓋的，同時互操作耦合。伴隨著基站天線規(guī)模的不斷提高，可以在有限的空間當(dāng)中部署更多天線也要求通線波長應(yīng)當(dāng)?shù)玫娇刂?。在現(xiàn)階段，來自我國的貝爾實(shí)驗(yàn)室在毫米波波段當(dāng)中對大規(guī)模MIMO技術(shù)進(jìn)行了運(yùn)用，不但使容量得到了很大的改善，并且還提高了相關(guān)的效率。借助于峰值傳輸效率為50Gbps的原型機(jī)，貝爾實(shí)驗(yàn)是中國在28GHz毫米波頻段當(dāng)中達(dá)到了100bps/Hz的頻譜效率，它的傳輸效率能夠使用戶更加快捷的通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行下載，只要幾秒就能夠?qū)崿F(xiàn)上百兆的數(shù)據(jù)傳輸。毫米波段通信技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展為今后可觸式互聯(lián)網(wǎng)、低時延性虛擬現(xiàn)實(shí)和3D等的應(yīng)用及研究提供了全新的方向。

3.3 D2D通信技術(shù)

在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)當(dāng)中，D2D通信實(shí)際上就是在設(shè)備間所實(shí)現(xiàn)的通信，它的主要作用就是使用戶的體驗(yàn)得到改善，進(jìn)一步加強(qiáng)用戶的使用質(zhì)量。起初，D2D技術(shù)的目的就是要解決蜂窩網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致的流量大量增長的問題。自2013年開始，伴隨著5G的出現(xiàn)與發(fā)展，各國針對于D2D通信技術(shù)的研究也變得越來越多，時至今日，該技術(shù)已逐漸發(fā)展為5G的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)階段，該技術(shù)的發(fā)展早已從剛開始的通過基站協(xié)調(diào)來建立D2D通信發(fā)展為能夠以基站協(xié)調(diào)或基站完全不參與。許多國外的學(xué)者與專家也開始研究怎樣通過D2D設(shè)備當(dāng)做中繼，以此來讓不在基站覆蓋范圍當(dāng)中的設(shè)備同樣能夠接入到蜂窩網(wǎng)絡(luò)。相較于藍(lán)牙、WiFi等的各種，該技術(shù)所具有的一個主要特點(diǎn)就是其在蜂窩系統(tǒng)頻段當(dāng)中運(yùn)行，也就是通信的，雙方就算提高了通信的距離依舊可以維持用戶的體驗(yàn)。并且D2D通信還具有著相較于其他傳輸設(shè)備更好的傳輸速率和時延性，和耗電比較高的WiFi相比，該技術(shù)還表現(xiàn)出了功耗低的優(yōu)勢。目前的D2D通信主要包括了廣播、多播、單播的形式，所以相較于蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)，它在調(diào)度方面有著更高的難度，并且還更加復(fù)雜，這也是當(dāng)前需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。和藍(lán)牙相比，在實(shí)際應(yīng)用中，D2D通信距離更長且更加穩(wěn)定，藍(lán)牙不但要用戶對終端配對密鑰進(jìn)行手動的設(shè)置，并且其工作的頻段也不是授權(quán)頻段，通信的質(zhì)量較低，同時缺乏穩(wěn)定性，所以，伴隨著5G時代的到來，D2D通信技術(shù)將會顯得更加重要。

四、5G移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

當(dāng)前針對于5G所進(jìn)行的研究越來越多，并且逐漸在各個領(lǐng)域當(dāng)中得到了應(yīng)用。具體來看，5G移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)在今后的趨勢主要表現(xiàn)為：1.網(wǎng)絡(luò)層信息安全與隱私。當(dāng)下的網(wǎng)絡(luò)層信息安全和隱患都是以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系方法為基礎(chǔ)的，而5G在未來所使用的為無線通信技術(shù)，它和傳統(tǒng)分析方法存在明顯差異，所以如何在5G的時代背景下適合用戶隱私與終端安全相關(guān)的問題得到解決，將會是5G在未來的主要研究內(nèi)容，并且針對編碼、時延性等的優(yōu)化同樣也是研究的重點(diǎn)。2.深海地下高空的通信。3G和4G最明顯的不同就是在速度方面的提高，所以，5G應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的就是深海、地下、高空等的各種地區(qū)來提供更加順暢的數(shù)據(jù)傳輸。5G技術(shù)的開發(fā)及利用將會使上面原本所存在的通信難的問題得到解決，對于未來的探索探測有著很大幫助。3.納米通信。納米通信在近幾年當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在微觀的角度上進(jìn)行分析并通過它的特性來研究和5G相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。部分學(xué)者認(rèn)為要參考細(xì)胞與病毒傳播的機(jī)理來針對無線通信體制的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，從而研究天線調(diào)制及容量分析等。

五、結(jié)束語

總而言之，在近幾年當(dāng)中，伴隨著4G技術(shù)的發(fā)展與成熟，5G技術(shù)逐漸開始在各個領(lǐng)域當(dāng)中得到普及。雖然當(dāng)前5G技術(shù)還處在探索的階段，沒有徹底發(fā)展成熟，但其所表現(xiàn)出的作用與潛力都是巨大的。移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展將會使人們的生活得到很大的改善，不但會推動社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，并且還會給人們的生活帶來更好的條件，所以，在今后一定要對5G移動通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)展開更加深入的研究。

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

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