移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)研究*

李碧連，馬芳草，王夢(mèng)瑤，李醒醒，管石俊，冀保峰

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

4G在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量與效率上的提升給人們的生活帶來了最直觀的變化，共享單車、網(wǎng)上打車、外賣軟件、短視頻平臺(tái)、直播購物等生活類App的大量涌現(xiàn)，創(chuàng)造了一種全新的生活方式[1]。5G在提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)，從手機(jī)這個(gè)單一領(lǐng)域擴(kuò)展到了全領(lǐng)域、全行業(yè)，通過物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等形式，為人類創(chuàng)造了一個(gè)人與萬物超低延時(shí)智能互聯(lián)的世界。2021年，正值4G、5G交換更替之際，在此次融合升級(jí)過程中出現(xiàn)了很多問題，本文通過對(duì)移動(dòng)通信原理的闡述，分析了4G和5G移動(dòng)通信的技術(shù)應(yīng)用及其影響，以幫助讀者最簡易的理解移動(dòng)通信相關(guān)知識(shí)。

1 移動(dòng)通信原理概述

1.1 移動(dòng)通信的定義及發(fā)展歷史

1.1.1 移動(dòng)通信的定義

移動(dòng)通信是指移動(dòng)用戶與固定點(diǎn)用戶之間的通信，這種通信一般會(huì)有一方或兩方處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如攜帶通信設(shè)備移動(dòng)的人、船只、火車或飛機(jī)[2]。

如果需要與移動(dòng)終端通信，如有兩個(gè)人想發(fā)起通話，一方發(fā)起呼叫后，中心基站會(huì)收到信號(hào)，并將信號(hào)發(fā)送給移動(dòng)交換局，移動(dòng)交換局收到呼叫請(qǐng)求后，會(huì)向被呼叫方所在的基站發(fā)送信號(hào)，傳遞呼叫請(qǐng)求，查詢被叫用戶忙閑狀態(tài)，如若狀態(tài)為空閑，被呼叫方會(huì)向基站發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，最終基站會(huì)為兩方分配一條通信信道并發(fā)送相應(yīng)信號(hào)指令，兩方通信由此成功建立。

1.1.2 移動(dòng)通信發(fā)展簡史

現(xiàn)代移動(dòng)通訊以20世紀(jì)80年代第一代通訊技術(shù)的提出為標(biāo)志，經(jīng)過幾十多年的迅猛發(fā)展，到如今已發(fā)展到了第5代通信技術(shù)，每一代的更迭，都帶給我們新的驚喜。1G時(shí)代時(shí)只能進(jìn)行語音的傳輸，具有深深的區(qū)域限制性；2G時(shí)代手機(jī)能上網(wǎng)了，3G時(shí)代隨時(shí)隨地?zé)o線上網(wǎng)，開啟全球漫游；4G時(shí)代比撥號(hào)上網(wǎng)快2 000倍，通信靈活；5G時(shí)代突破人與人的通信，萬物互聯(lián)。1-5G移動(dòng)通信系統(tǒng)可以用如下的指標(biāo)和核心技術(shù)來定義，如表1。

表1 移動(dòng)通信發(fā)展史

1.2 移動(dòng)通信的特點(diǎn)及工作方式

由于移動(dòng)通信用戶的移動(dòng)狀態(tài)可能是低速、高速、超高速或大范圍等情況，所以移動(dòng)通信系統(tǒng)與用戶之間的信號(hào)傳輸方式是無線傳輸，且這種無線傳輸受環(huán)境因素影響較大。這也就造成了移動(dòng)通信的特點(diǎn)包括：時(shí)變信道特性、環(huán)境干擾特性、頻譜特性、用戶終端特性、管理和控制特性、速率特性、兼容特性、業(yè)務(wù)融合特性、自組織與自適應(yīng)通信特性等特點(diǎn)。

移動(dòng)通信的工作模式可根據(jù)呼叫狀態(tài)和頻率的使用方法分為兩類:單向通信模式和雙向通信模式。目前常用的是雙向通信模式，其又可分為三種模式:單工通信、雙工通信和半雙工通信。

1.3 移動(dòng)通信系統(tǒng)的組成

移動(dòng)通信系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)用范圍有多種形式，主要包括陸地公眾蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、集群移動(dòng)通信系統(tǒng)、無繩電話系統(tǒng)、無線尋呼系統(tǒng)、無線LAN和衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。每一種成本、復(fù)雜度、性能和服務(wù)類型均存在很大差別，本文只簡略介紹陸地蜂窩系統(tǒng)。公共陸地移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由移動(dòng)交換機(jī)連接公共電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)管理、基站控制器和一些干線組成。目前通用的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖如圖2。

圖1 移動(dòng)通信系統(tǒng)組成

圖2 蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)

2 現(xiàn)行4G移動(dòng)通信

4G是在3G的基礎(chǔ)上開發(fā)的，具有更快的傳輸速率和更高的傳輸質(zhì)量。4G的核心技術(shù)包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，4G部署在有線電視調(diào)制解調(diào)器和DSL未覆蓋的地方，并由此擴(kuò)展到整個(gè)地區(qū)[3]。4G的數(shù)據(jù)下載速率很快，能夠又快又好地傳輸音頻、高清圖像和視頻等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，4G已經(jīng)能滿足普通用戶幾乎所有的無線業(yè)務(wù)需求。顯然，4G通信技術(shù)的創(chuàng)新比過去的通信技術(shù)具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)：

1) 智能性高:4G通信終端設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作更具智能化，可以實(shí)現(xiàn)許多實(shí)用便利的功能：4G手機(jī)能進(jìn)行視頻通話、網(wǎng)上購物和滴滴打車等；4G手機(jī)也可以清楚顯示電影院售票及座位情況；4G手機(jī)還可以作為小型移動(dòng)電視，能隨時(shí)隨地觀看比賽、直播等。

2) 兼容性好、高質(zhì)量通信:4G與前幾代通信系統(tǒng)相比，增加了全球漫游、能跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、接口開放、終端多樣化，能從2G平穩(wěn)過渡等優(yōu)點(diǎn)。4G的出現(xiàn)順應(yīng)了市場(chǎng)用戶數(shù)量的增加，4G用戶數(shù)量已達(dá)12.96億戶；滿足了多媒體的傳輸需求，越來越多的應(yīng)用能支持超多用戶同時(shí)在線；提高了通信品質(zhì)，不會(huì)輕易掉線掉幀卡頓。

3) 頻帶使用效率更高:4G運(yùn)用了路由技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)無線頻率的使用比2G和3G有效的多。這種有效體現(xiàn)在可以讓更多的人使用與以前相同的無線頻譜做更多的事情，并且做這些事情時(shí)的速度更快。

經(jīng)過了30多年的高速增長，我國公用移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)了從“2G跟隨”、“3G突破”，到“4G同步”的飛躍。在中國，4G以前所未有的速度飛速發(fā)展，我國建成了全球規(guī)模最大的4G網(wǎng)絡(luò)，成為該領(lǐng)域最完備的國家。社會(huì)在不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)于數(shù)據(jù)容量的需求在不斷增加，通信產(chǎn)業(yè)的更迭不會(huì)止步4G，因此5G的產(chǎn)生是必然的。而中國，在5G戰(zhàn)場(chǎng)上，也終于拿到了“5G超越”的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)！

3 新興5G移動(dòng)通信

3.1 5G是什么？

為什么需要5G？5G是什么？

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，高清視頻、VR/AR等業(yè)務(wù)層出不窮，毫不夸張地說，在未來十年里，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)面對(duì)超目前1 000 倍的數(shù)據(jù)容量增長和10 倍～100 倍的用戶數(shù)據(jù)需求。同時(shí)由于萬物物聯(lián)的發(fā)展及工業(yè)4.0等垂直行業(yè)的滲透需求，移動(dòng)通信未來會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)需要快速傳輸，而4G傳輸數(shù)據(jù)容量小，速度慢，已經(jīng)無法滿足未來移動(dòng)通信的需要，所以就需要速度更快、容量更大的5G移動(dòng)通信。

5G是2G、3G和4G系統(tǒng)的加強(qiáng)融合版，但這種加強(qiáng)融合不是簡簡單單“1+1+1=3”的關(guān)系。

3.2 5G基本原理

3.2.1 5G的信號(hào)覆蓋

在4G時(shí)代，一個(gè)基站內(nèi)可能會(huì)因?yàn)橛脩艟嚯x遠(yuǎn)近、分布不均勻而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)資源分配不均勻的問題，不能保證每一個(gè)用戶的上網(wǎng)體驗(yàn)如一，而5G就要避免這一問題，確保用戶都有大帶寬和低時(shí)延的上網(wǎng)體驗(yàn)，信號(hào)覆蓋成為了首要攻克的難題。移動(dòng)通信工程師對(duì)此行了重要的技術(shù)創(chuàng)新：

1) Massive-MIMO(大規(guī)模天線)技術(shù)。

2) 上下行解耦技術(shù)

“上下行解耦[5]”技術(shù)可理解為“下行5G頻率，上行4G頻率”，這個(gè)技術(shù)可很好地解決數(shù)據(jù)傳輸問題。下行5G指的是基站向手機(jī)通信時(shí)采用5G高頻傳輸，基站可以通過加大發(fā)出信號(hào)功率來解決信號(hào)穿透的問題。而手機(jī)的電量和功率比基站小的多，不可能一直通過加大信號(hào)功率來解決信號(hào)傳輸問題，所以上行4G就需要讓手機(jī)通過頻段較低的4G信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。而4G的頻段頻率低，波長長，可以較好地衍射從而穿透障礙物，如此一來4G、5G兩相互補(bǔ)，完美解決了問題。

3.2.2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)是建立在軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和云計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因此具有更靈活、更智能、更開放、更高效的特點(diǎn)。5G“三朵云”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由中國電信率先提出，“三朵云”分別是接入云、控制云和轉(zhuǎn)發(fā)云。

在從局域網(wǎng)向全網(wǎng)轉(zhuǎn)型的過程中，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將在一定時(shí)期內(nèi)處于中期階段，通信技術(shù)與IT技術(shù)的融合將逐步從核心網(wǎng)向無線接入網(wǎng)延伸，最終推動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)。

3.3 5G關(guān)鍵技術(shù)

5G關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在全頻譜、新空口、新架構(gòu)、新特性上。

全頻譜接入采用了低頻和高頻混合的組網(wǎng)方式，其中低頻是5G的核心頻段，高頻(6 GHz～100 GHz)頻譜用于滿足高速率、大容量等5G網(wǎng)絡(luò)的需求；另外還采用上先行解耦、靈活雙工和全雙工方式。新空口包括F-OFDM基礎(chǔ)波形、新型多址方式(SCMA、PDMA、MUSA)和新調(diào)制編碼(如多元低密度奇偶校驗(yàn)碼、極化碼)。新架構(gòu)包括超密組網(wǎng)、C-RAN、CU-DU分離、MFC、D2D通信等關(guān)鍵技術(shù)。新特性包括Massive MIMO、網(wǎng)絡(luò)靈活切片控制面用戶面解耦等技術(shù)。

3.4 5G應(yīng)用場(chǎng)景

萬物互聯(lián)的5G時(shí)代，將開啟一系列技術(shù)與體系的研究與創(chuàng)新，5G帶來更多終端，加以云智能、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與產(chǎn)品的連接，提升網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新發(fā)展；充分發(fā)揮5G在這個(gè)時(shí)代的價(jià)值，為我國制造業(yè)的發(fā)展提供廣大前景。5G技術(shù)或?qū)⒊蔀槲覈W(wǎng)絡(luò)發(fā)展與制造技術(shù)創(chuàng)新的核心技術(shù)。5G的萬物互聯(lián)也將給這個(gè)時(shí)代帶來前所未有的創(chuàng)新與改革。

4 結(jié)語

不論是對(duì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的影響，還是對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化等方面的影響，5G無疑是一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也正是由于5G對(duì)行業(yè)應(yīng)用的支持，所以這個(gè)移動(dòng)通信制式會(huì)是未來的傳統(tǒng)行業(yè)改革的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[8]。對(duì)曾經(jīng)IT和CT并行發(fā)展的ICT產(chǎn)業(yè)來說，IT主攻計(jì)算機(jī)方面，對(duì)運(yùn)算能力的提升進(jìn)行深入研究，即將ICT的數(shù)據(jù)視為增值數(shù)據(jù)，在CPU內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；而CT側(cè)重于通信方面的改進(jìn)與創(chuàng)新，即將ICT的數(shù)據(jù)視為流量數(shù)據(jù)，在通信通道內(nèi)進(jìn)行改善；5G技術(shù)將IT和CT緊密融合，尋找其中的平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)相互通用。

表2 5G應(yīng)用場(chǎng)景

5G雖是移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展至今的寶貴結(jié)晶，但從大局看，5G也只是一個(gè)開始，是全新體系的一個(gè)起點(diǎn)，它是通信和計(jì)算的融合，是萬物互聯(lián)的紐帶。5G的出現(xiàn)不僅是一個(gè)新的移動(dòng)通信技術(shù)的產(chǎn)生，還是一系列全新技術(shù)體系研究創(chuàng)新的基礎(chǔ)。終端的概念從5G開始不再是單純的通信終點(diǎn)，而是被重新定義為下一個(gè)通信的開始，是通信之間的節(jié)點(diǎn)，終端用戶概念也逐漸模糊，終端不再局限于人與人[8]，通過與物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)械化等領(lǐng)域的結(jié)合，借助大數(shù)據(jù)與云計(jì)算，未來的終端智能化將具有更廣闊的研究空間，甚至出現(xiàn)新的研究領(lǐng)域，5G將帶來更加智能化的時(shí)代。