5G移動通信應(yīng)用與無線關(guān)鍵技術(shù)研究

何晶

【摘要】? ? 文章分析了5G移動寬帶和移動物聯(lián)等應(yīng)用場景的技術(shù)特點及性能指標(biāo)，從無線空口、無線傳輸、無線網(wǎng)絡(luò)等方面深入研究，總結(jié)了在對應(yīng)場景下，支持其強大性能的無線關(guān)鍵技術(shù)，最后對下一代及未來移動通信的應(yīng)用場景與無線新技術(shù)發(fā)展趨勢提出展望。

【關(guān)鍵字】? ? 5G? ? 應(yīng)用場景? ? 關(guān)鍵技術(shù)? ? 未來趨勢

引言：

移動通信從第一代發(fā)展到第五代實現(xiàn)了從模擬到數(shù)字、語音到數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)到移動物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)。相比上一代移動通信網(wǎng)，5G通過在空口、傳輸、網(wǎng)絡(luò)等方面各種關(guān)鍵技術(shù)的突破，具有更高的速率、更大的容量、更低的時延，同時安全性、可靠性更高，面向移動寬帶和移動物聯(lián)等應(yīng)用，滿足各類細(xì)分業(yè)務(wù)場景的性能指標(biāo)要求，構(gòu)建起人、網(wǎng)、物聯(lián)通的高速、移動、安全、泛在的新一代信息社會。

一、5G 應(yīng)用場景與性能指標(biāo)

1.1增強移動寬帶（eMBB）

應(yīng)用于移動互聯(lián)網(wǎng)的增強移動寬帶（eMBB）將提供更大的系統(tǒng)容量以及更高的無線接入速率，從而滿足未來超高清/3D視頻以及增強現(xiàn)實、云桌面、在線游戲等應(yīng)用服務(wù)。移動寬帶分為廣域連續(xù)覆蓋和局部熱點覆蓋兩種場景，廣域連續(xù)覆蓋場景是移動通信最基本的應(yīng)用場景，為用戶提供無縫的高速業(yè)務(wù)體驗。局部熱點覆蓋場景主要面向局部熱點區(qū)域覆蓋，為用戶提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足網(wǎng)絡(luò)極高的流量密度需求。、

1.2大容量移動物聯(lián)（ mMTC）

應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的海量機(jī)器類通信mMTC將滿足智能電網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、共享經(jīng)濟(jì)、運動健身等海量物聯(lián)需求，5G的超大網(wǎng)絡(luò)容量，具有提供千億設(shè)備的連接能力，使人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的通信成為可能，促進(jìn)了大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

1.3高性能移動物聯(lián)（uRLLC）

應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的超可靠低時延通信uRLLC在車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)精確控制、無人機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測、入侵檢測、急救人員跟蹤等場景發(fā)揮巨大作用。5G超高可靠低時延通信，可以實現(xiàn)探測到障礙后的自動駕駛汽車響應(yīng)速度比人的反應(yīng)更快，加快了自動駕駛汽車和智慧交通的蓬勃發(fā)展。

5G系統(tǒng)各應(yīng)用場景的性能指標(biāo)見表1。

二、5G關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)

5G具有極高的速率和較高的頻譜利用率主要依賴5G無線空口、無線傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)等方面關(guān)鍵技術(shù)的支持。

2.1無線空口

靈活的參數(shù)配置：相比于4G，5G子載波間隔在15kHz的基礎(chǔ)上采用2u擴(kuò)展（?=0，1，2，3，4），使物理層資源在時域和頻域上具有多種不同大小的粒度，可支持多種信道帶寬、滿足多樣的應(yīng)用和部署需求，另一方面有利于不同參數(shù)集波形的共存、實現(xiàn)靈活調(diào)度。

5G上下行均可采用CP-OFDM 波形，支持多層傳輸，從而支持更高的傳輸速率和資源利用率。

新型信道編碼：5G 采用了在性能上接近或“達(dá)到”Shannon極限， 且復(fù)雜度較低易于實現(xiàn)的新型信道編碼方案， 如LDPC（Low Density Parity Code）碼和極化碼（Polar Code），與4G信道編碼相比，具有更高的呑吐率、更低的處理時延。

NOMA：非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access， NOMA）技術(shù)在功率域由單用戶獨占改為多用戶共享， 通過發(fā)送端功率復(fù)用和接收端串行干擾消除（Successive Interference Cancellation， SIC）， 使得系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率都得到了有效提高。

2.2無線傳輸

新型調(diào)制編碼：為達(dá)到更高的速率，5G采用更高階的調(diào)制和編碼策略（modulation and coding scheme，MCS），根據(jù)信道信號與噪聲和干擾的比值（SINR），采用鏈路自適應(yīng)算法確定最佳調(diào)制編碼方案，上下行最高支持256QAM調(diào)制方式，提高了峰值速率，進(jìn)一步提升空口頻譜效率。

Massive MIMO：大規(guī)模天線技術(shù)采用大量收發(fā)信通道（TRX）以及大量高增益天線陣列實現(xiàn)信號水平和垂直方向的3D賦形，利用陣列增益和空間復(fù)用特性同時傳輸多路不同的數(shù)據(jù)，在保證不改變發(fā)射功率和頻率資源的狀態(tài)下，同時具備多天線賦形增益和多用戶復(fù)用增益，在降低干擾、增強系統(tǒng)覆蓋能力的同時，提高小區(qū)容量及邊緣用戶的傳輸速率，也提升了系統(tǒng)頻譜效率和傳輸?shù)目煽啃?，并且能耗并不會增加?/p>

毫米波通信：相比于中低頻段，毫米波可用帶寬充足，天線體積小、增益較高，適合Small Cells、室內(nèi)、固定無線和回傳等場景部署。毫米波可以更好地與大規(guī)模 MIMO 結(jié)合，借助天線增益和先進(jìn)的波束賦形技術(shù)顯著地提高覆蓋能力，從而在一定程度上補償其高傳輸損耗，并成倍提升小區(qū)容量和峰值速率在提高網(wǎng)絡(luò)部署密度的同時降低部署難度。

2.3無線網(wǎng)絡(luò)

新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：5G支持云無線接入網(wǎng)（C-RAN）架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)應(yīng)用到無線接入網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)部分網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，并部署于標(biāo)準(zhǔn)的云環(huán)境中，提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量和資源利用率，提高網(wǎng)絡(luò)部署靈活性，易于實現(xiàn)CoMP（協(xié)同多點傳輸）、多RAT、動態(tài)小區(qū)配置等更先進(jìn)的聯(lián)合優(yōu)化方案，滿足移動用戶的質(zhì)量體驗（QOE）需求。

超密集組網(wǎng)：基于熱點密集組網(wǎng)場景，采用宏基站覆蓋范圍內(nèi)增加大量小功率基站（Small Cells），構(gòu)建多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)以滿足目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的流量需求。通過本地化集中式的無線資源管理和干擾管理，提升用戶體驗。密集網(wǎng)絡(luò)可利用空間復(fù)用和分集增益提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，從而實現(xiàn)頻譜效率的提升。

終端直通（Direct to Direct，D2D）：通過在熱點地區(qū)或短距離覆蓋范圍內(nèi)，在終端間建立直接的通信，一方面可以降低傳輸時延，有效減輕網(wǎng)絡(luò)阻塞的概率和基站負(fù)荷，另一方面也可以進(jìn)一步提高頻譜效率，進(jìn)而提升系統(tǒng)容量和傳輸速率。在得到網(wǎng)絡(luò)的授權(quán)后，兩個設(shè)備間可以直接通信，極大地縮短了端到端的傳輸時延，非常適合汽車安全與智能駕駛、本地工業(yè)控制等低時延場景。

2.4 5G關(guān)鍵技術(shù)與對應(yīng)場景

綜上所述，5G無線空口、無線傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)等方面的關(guān)鍵技術(shù)滿足5G各類業(yè)務(wù)的性能需求。各項主要關(guān)鍵技術(shù)及其在對應(yīng)場景下的主要貢獻(xiàn)分析見表2。

三、后5G展望

未來，B5G及6G將以5G應(yīng)用場景為基礎(chǔ)，向速率維度、空間維度以及智慧維度等三維擴(kuò)展。即通信速率由Gbit/s達(dá)到Tbit/s量級以上;通信空間由目前的陸地覆蓋拓展至海洋、天空、太空場景下的多域和廣域覆蓋;通信智慧由目前單一設(shè)備的智能處理演進(jìn)至多設(shè)備、多網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同跨域智能處理， 并且從信息傳輸、處理及應(yīng)用層面進(jìn)一步加強和深化通信智慧。

與 5G 相比，6G要在大多數(shù)技術(shù)領(lǐng)域保持 10～100 倍的性能提升，即 6G 需要達(dá)到 1 Tbit/s 的峰值速率，能為特定用例（如工業(yè)控制、自動駕駛）提供低于 1 ms 的時延，擁有不高于十億分之一錯誤位的高可靠傳輸能力，且可為海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供大于每平方公里 107 節(jié)點的連接密度。

6G將采用新型波形技術(shù)、多址接入技術(shù)、新型編碼技術(shù)及無蜂窩大規(guī)模 MIMO 技術(shù)等 先進(jìn)的無線接入關(guān)鍵技術(shù)，探索更高頻率太赫茲頻段，實現(xiàn)全頻譜應(yīng)用;利用衛(wèi)星、臨近空間飛行器等拓展覆蓋、構(gòu)造天地融合全球泛在的通信網(wǎng)絡(luò)。

四、結(jié)束語

5G采用大量先進(jìn)的通信技術(shù)滿足豐富的應(yīng)用場景及強大的性能指標(biāo)，將面向人的連接擴(kuò)充到人與物和物與物的連接。隨著5G、B5G技術(shù)的不斷發(fā)展，各類應(yīng)用場景相互交叉滲透，多種關(guān)鍵技術(shù)綜合運用，使移動通信進(jìn)入一個全新的發(fā)展空間和時代。 6G 將在 5G 基礎(chǔ)上全面支持整個世界的數(shù)字化，并結(jié)合 AI、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)智慧的泛在可得，全面賦能萬事萬物。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 王映民，孫韶輝等，5G移動通信系統(tǒng)設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)詳解，人民郵電出版社，2020-09

[2] 岳勝，于佳，蘇蕾，程思遠(yuǎn)，江巧捷，張學(xué). 5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計 人民郵電出版社 2020-01

[3] 翟立君，王妮煒，潘沭銘，王宣宣. 6G 無線接入關(guān)鍵技術(shù)[J]. 無線電通信技術(shù)2021（1） 18-149