5G移動通信網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)研究

馮毅

摘 要：文章指出5G移動通信技術(shù)建立在4G的基礎上，不僅保留了4G通信技術(shù)原有的優(yōu)勢，還產(chǎn)生出多種新型技術(shù)。5G移動通信息網(wǎng)絡突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，體現(xiàn)出系統(tǒng)性、綜合性、應用性的特點，在通信網(wǎng)絡中發(fā)揮著決定作用，推動了多個行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：5G通信;通信網(wǎng)絡;關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，通信網(wǎng)絡與社會發(fā)展的聯(lián)系更加緊密，移動通信網(wǎng)的發(fā)展也催生出各種新型的行業(yè)。當前通信網(wǎng)絡的發(fā)展方向是低時延、高可靠、大規(guī)模，可以滿足垂直行業(yè)客戶的新型需求，提供定制化的業(yè)務[1]。當前已趨于成熟的5G移動通信技術(shù)可以創(chuàng)造出新型的商業(yè)模式，將全面推動通信網(wǎng)絡的數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化升級，可以為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與經(jīng)濟增長提供新的動力。

1 5G移動通信網(wǎng)絡的特點

5G移動通信網(wǎng)絡選擇了更加科學的無線網(wǎng)絡演進策略，技術(shù)方案綜合考慮了用戶需求、后續(xù)技術(shù)升級、網(wǎng)絡平滑過渡等。無線網(wǎng)絡演進需綜合考慮到了覆蓋能力、綜合造價、規(guī)避頻段組合干擾以及產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的需要。5G移動通信網(wǎng)絡優(yōu)先采用了獨立組網(wǎng)，采用了64端口、192振子網(wǎng)以實現(xiàn)大規(guī)模天線覆蓋。網(wǎng)絡設計也考慮到了4G與5G基站耦合的需要，對非獨立組網(wǎng)終端側(cè)LTE頻段與NR頻段存在的干擾問題，選擇了獨立組網(wǎng)架構(gòu)。

5G空口技術(shù)框架結(jié)合場景、性能、頻段、設備功能、造價等，依據(jù)需要實現(xiàn)技術(shù)的最優(yōu)組合，參數(shù)的優(yōu)化配置，保證空口技術(shù)方案的適用性，業(yè)務可以定制化，可以靈活應對5G技術(shù)下的新場景與新業(yè)務對通信網(wǎng)絡的需求，兼容問題得以有效滿足解決[2]。

5G網(wǎng)絡架構(gòu)包括了多項關(guān)鍵技術(shù)，如接入云、控制云、轉(zhuǎn)發(fā)云。借助接入云，可以保證多種無線制式的高效接入，可以對無線接入點實施系統(tǒng)化的控制，有有效適應多種回傳鏈路，保證了無線資源利用率，無線資源管理更加高效;控制云實現(xiàn)了會話控制的高效，可屏蔽網(wǎng)絡存在的開放接口，有利于保證業(yè)務的部署效果;借助轉(zhuǎn)發(fā)云，能對網(wǎng)絡資源加以集中控制，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)更具有靈活性，海量數(shù)據(jù)傳輸可以保證高效與可靠。

2 5G移動通信網(wǎng)絡借助的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 借助覆蓋增強技術(shù)

針對網(wǎng)絡應用，覆蓋增強技術(shù)針對密集條件下異構(gòu)組網(wǎng)以及云后臺。有統(tǒng)計表明，通信技術(shù)在第1代到第4代的發(fā)展中，通過密集異構(gòu)組網(wǎng)可以降低小區(qū)半徑，這種方式有利于保證頻譜效率增益效果。這也表明縮小小區(qū)半徑來提升頻譜資源的空間復用是未來通信發(fā)展的趨勢，也是保證業(yè)務功能得以實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的通信技術(shù)采用降低小區(qū)半徑來實現(xiàn)分裂，小區(qū)覆蓋范圍如果減小，難以得到最有效的站點位置，難以進行后續(xù)的分裂。5G技術(shù)針對異構(gòu)網(wǎng)絡中，借助宏站與低功率基站實現(xiàn)覆蓋，異構(gòu)網(wǎng)絡可以兼容CDMA，LTE 等，站點密度的增加使得節(jié)點間距離減少，不同網(wǎng)絡節(jié)點距離可以更近，保證了網(wǎng)絡通信 中的頻譜效率與容量。5G技術(shù)依托中心式云后臺。這一技術(shù)使得云服務運營方式更加靈活、安全、可靠。中心式云后臺的應用采用了標準化的方式，可以保證增值服務的高效，對于用戶終端來說，能獲得更多的應用領域，5G網(wǎng)絡的利用率得以提升。針對網(wǎng)絡安全，5G技術(shù)借助了量子密碼學來完成云控制計算。采用中心式云后臺還以提升資源的利用率，降低物理層面存儲支出，縮減存儲器代理費用。覆蓋增強技術(shù)的最大優(yōu)勢體現(xiàn)在，廣域覆蓋通信場景的應用將業(yè)務的連續(xù)性、安全性作為目標，可以實現(xiàn)100 Mbit/s以上無縫接入。

2.2 借助頻效提升技術(shù)

2.2.1 天線技術(shù)

在MIMO條件下，信號接收端與發(fā)送端通過大范圍的天線部署來實現(xiàn)接收和發(fā)送，天線數(shù)量會增加到幾百根，由于天線的增加，而頻譜資源不增加，這導致總功率耗損增加，因此需要增加信道容量，以提升吞吐量與可靠傳送距離，保證通信可靠。5G時代的移動通信應用了大規(guī)模的MIMO，線性預編碼的應用與信號檢測技術(shù)的實現(xiàn)，能降低傳輸噪聲與信號快速衰落存在的影響，保證小區(qū)內(nèi)不受到干擾。MIMO技術(shù)應用于節(jié)點擴展與傳輸部署具有優(yōu)勢，因此推動了5G 網(wǎng)絡的發(fā)展。

由于節(jié)點擴展技術(shù)得以應用，可以發(fā)揮4G通信網(wǎng)絡的作用，借助定向天線來消除限制因素的影響。在信號傳播中，角度會不定向加以擴散，擴展等級受到影響。由于應用了大規(guī)模 MIMO，基站天線原有的陣列不會受到空間與時域改變的影響，特別是上行導頻為時分雙工估計信度，5G傳輸?shù)靡员ＷC。采用了新型的部署和框架，利用低增益諧振天線陣列取代原有的基站，部署天線陣列更具有靈活性。

2.2.2? 傳輸波形技術(shù)

高速無線通信中的傳輸模式WiFi與LTE采用了OFDM，區(qū)別于原有的 FDM 模式，提升了頻譜利用率，抗頻率可利用FFT/IFFT模塊，易于操作。OFDM作為5G傳輸?shù)暮诵牟ㄐ渭夹g(shù)，性能參數(shù)可以保證。

5G結(jié)合不同場景的特點采用了相應的傳輸技術(shù)來滿足信號差異化的需求，濾波器組通過多載波能有效提升物理頻譜利用效果，可以在不同頻譜條件下實現(xiàn)共享。傳統(tǒng)模式下，采用OFDM難以實現(xiàn)同步載波，會存在干擾，濾波器組借助多載波能實現(xiàn)時間同步，消除載波間存在的干擾，信道的性能得以提升。

2.2.3? 非正交多址接入技術(shù)

頻譜效率與鏈接用戶是保證通信的關(guān)鍵，5G網(wǎng)絡的等級得以提升，網(wǎng)絡架構(gòu)具有了高速超寬帶、低時延的特點。由于非正交多址接入技術(shù)的應用，增加了功率域，這導致了用戶路徑損耗能復用。功率域從單用戶發(fā)展到現(xiàn)有的多用戶共享，保證無線接入效果。借助功率域復用可以實現(xiàn)不同用戶的共享，為了弱化持續(xù)干擾的不利影響，在信號接收端可以加SIC，通過干擾器與信道編碼能識別出用戶信息。針對不同信號的發(fā)射，借助NOMA疊加能不同路徑的損耗加以控制，信號增益得以實現(xiàn)。扇區(qū)內(nèi)的通信設備能高效接入帶寬，有利于緩解規(guī)?；W(wǎng)絡的不利影響。

2.2.4? 調(diào)制編碼

4G 通信網(wǎng)絡調(diào)制編碼采用了 MIMO OFDM 技術(shù)，為了實現(xiàn)更高層次、更大范圍的吞吐，高頻譜利用率得以提升，可以在高速度條件下完成傳輸，特別是5G調(diào)制編碼保證了頻譜利用率。二維映射由于擴展到三維映射，導致天線物理定位能攜帶多種發(fā)送信息，頻譜效率擴大;天線可以保持每時隙狀態(tài)，避免信道發(fā)生相互干擾，解決了同步發(fā)射問題。射頻鏈的應用降低了成本。5G針對頻譜的利用率借助了頻移鍵控（FSK）與正交幅度調(diào)制（QAM），實現(xiàn)通話質(zhì)量有效優(yōu)化。

頻效提升技術(shù)有效減少了干擾和導頻污染，充分利用多窄波束提高單小區(qū)容量，數(shù)據(jù)傳輸速率可以滿足網(wǎng)絡極高的流量密度，在深度覆蓋場景中借助精確波束賦形實現(xiàn)了深度覆蓋，減少信號之間的相互干擾，提升了業(yè)務質(zhì)量。

2.3? 頻譜擴展技術(shù)

2.3.1? 認知無線電技術(shù)

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，頻譜利用率可以發(fā)揮認知無線電技術(shù)的優(yōu)勢。由于具有了認知功能，無線通信可借助空閑頻譜資源的開發(fā)來提升無線通信服務效率，發(fā)揮“頻譜空穴”的作用，保證功率、頻率、調(diào)制動態(tài)參數(shù)的利用效果。5G采用認知無線電技術(shù)體現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢：可以感知到特定頻段，可以檢測到頻譜資源;能分析出信道狀態(tài)值;確定信道容量飽和度;對功率加以控制，對頻譜加以高效管理。

2.3.2? 毫米波通信技術(shù)

從當前通信網(wǎng)絡的發(fā)展來看，微波頻段資源趨于枯竭，5G技術(shù)實現(xiàn)了高頻段帶寬的應用。通信網(wǎng)絡采用了毫米波，除有效緩解了現(xiàn)有的頻譜資源緊張外還能提升通信容量[3]。5G通信網(wǎng)絡采用了超密集異構(gòu)，從毫米波的特點可以看出，波束集中的應用保證了能效;信號傳輸?shù)姆较蛐耘c抗干擾效果好;波束窄不易受到外部的干擾，能保證通信的安全靠，降低鄰間存在的干擾。毫米波在短距離通信傳輸中的應用體現(xiàn)出優(yōu)勢，可建立Backhaul 鏈路;毫米波條件下的通信傳輸速率達到了10 Gbit/s;毫米波通信成為未來通信技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展方向。

2.3.3? 可見光通信技術(shù)

當前通信網(wǎng)絡用戶規(guī)模不斷擴大，并且還要保證傳輸視頻以及多媒體的需要，這導致頻譜資源趨于緊張，針對頻譜拓寬，可以借助可見光通信?？梢姽馔ㄐ啪哂卸喾矫娴膬?yōu)勢，如廣泛性、高速率性，還體現(xiàn)出寬頻譜、高保密性的特點，具有實用性、造價低等特點，可以應用于物聯(lián)網(wǎng)。在5G的發(fā)展中，可見光通應用于短距離通信具有優(yōu)勢，可見光譜帶寬是傳統(tǒng)無線光譜的數(shù)十倍，能提升通信傳輸速率，信號源更加簡單，可靠性更強，可用于高寬帶通信。

2.4? 能效提升技術(shù)

通信經(jīng)過多級傳輸后，發(fā)射塔最后的發(fā)射能量發(fā)生衰減，僅為原有的2%，所以提高能效體現(xiàn)出多方面的應用價值。多域協(xié)同管理能提高能效。多域協(xié)同管理保證了無線資源的利用率，話音、數(shù)據(jù)、多媒體、用戶域可以實現(xiàn)協(xié)同利用，借助碼域、空域、頻域、時域、能量域，資源實現(xiàn)了高效管理，解決了能效管理中的多約束、多時變、多維度問題，發(fā)揮了協(xié)同作用，多用戶共享資源問題得以解決，系統(tǒng)的容量擴大了[4]。多域協(xié)同針對網(wǎng)絡資源與用戶進行自適應調(diào)控，對于業(yè)務處理保證了時間與空間的自適應。多協(xié)同保證跨層資源的利用率;實現(xiàn)了跨網(wǎng)資源的優(yōu)化配置。能效提升技術(shù)對設備的鏈接提出了更高的要求，在保證鏈接效果的基礎上，數(shù)據(jù)傳輸具有了更低的成本。

3 結(jié)語

5G移動通信網(wǎng)絡應用了更多的關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)的應用解決了傳輸速率、容量、延時問題。這些技術(shù)的應用對于保證5G移動通信的應用起到了推動作用。明確5G網(wǎng)絡架構(gòu)應用到的關(guān)鍵技術(shù)，有利于深入了解5G通信網(wǎng)絡，明確通信技術(shù)的發(fā)展方向。

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[4]方汝儀.5G移動通信網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)及分析[J].信息技術(shù)，2017（1）：142-145.

（編輯 傅金睿）