5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及未來發(fā)展趨勢(shì)分析

宋璽藝，鄭 博，路彩玲

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶石油勘探局有限公司 通信處，西安 710016）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高和網(wǎng)絡(luò)的普及，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的速率要求也在不斷提高，4G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的速率已經(jīng)很難滿足當(dāng)前人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求。5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，也是未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。5G 的通信速率有了質(zhì)的飛躍，突破了許多4G 技術(shù)的限制，5G 在移動(dòng)端的應(yīng)用已經(jīng)成為主要的方向。5G 中的核心技術(shù)是各個(gè)國(guó)家都在爭(zhēng)相研究的主要內(nèi)容，其對(duì)于國(guó)家的通信技術(shù)發(fā)展和國(guó)家信息安全都有著重要的作用。

1 5G 的核心特征

“5G”是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是當(dāng)前最新一代的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，是4G、3G、2G移動(dòng)通信技術(shù)的拓展和延伸，各個(gè)方面的性能都有了很大的提升。5G 具有數(shù)據(jù)速率高、延遲較低、節(jié)約能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接等優(yōu)點(diǎn)。在2019 年10 月，我國(guó)移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營(yíng)商都公布了5G 商用套餐，這在我國(guó)5G 技術(shù)發(fā)展過程中具有里程碑的意義。5G 在用戶體驗(yàn)功能上擁有更大的質(zhì)量提升效果。5G 最明顯的優(yōu)勢(shì)就是信息數(shù)據(jù)的下載、傳輸速率更快，且融入了現(xiàn)代的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和傳輸變通技術(shù)，使得5G 各方面性能都得到了強(qiáng)化和提升。4G 技術(shù)的信息輸送形式以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸為主，雖然4G 技術(shù)能夠支撐和滿足當(dāng)前大部分移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶的需求，但是隨著時(shí)代的發(fā)展，4G 這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸形式必將被5G 所取代，通過5G 的多點(diǎn)傳輸技術(shù)，提高移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)整體的傳輸速率。目前，世界范圍內(nèi)的手機(jī)廠商基本都開通了5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以華為、蘋果、三星為代表的大型手機(jī)企業(yè)，在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。經(jīng)過技術(shù)人員的測(cè)試和推算，5G 理論上的最大傳輸速度可以達(dá)到10 Gbps，即125GB/s，比電腦硬板、手機(jī)閃存的讀寫速度都要快［1］。

2 5G 中的關(guān)鍵技術(shù)

5G 作為未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中最主要的技術(shù)，是國(guó)家要重點(diǎn)投入研究的領(lǐng)域，必須掌握其中的關(guān)鍵技術(shù)，才能夠保證我國(guó)的5G 不會(huì)受制于人，對(duì)于國(guó)家發(fā)展具有重要的意義。以華為企業(yè)為例，華為一直以來都積極參與5G 標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)，在世界范圍內(nèi)的5G通信專利數(shù)量也處于領(lǐng)先的地位，日本運(yùn)營(yíng)商軟銀、法國(guó)運(yùn)營(yíng)商Orange 以及美國(guó)等國(guó)家的運(yùn)營(yíng)商以華為存在網(wǎng)絡(luò)安全問題為由明確表示，不會(huì)再與華為合作5G 相關(guān)的研發(fā)，可以看出5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于一個(gè)國(guó)家的發(fā)展所具有的重要意義。下面就5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中一些核心技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

4G 已經(jīng)具有較高的速率和活動(dòng)功能，但5G 作為4G 的升級(jí)版，在互聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)的傳輸速率上有著巨大的提升，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層面有著更高質(zhì)量的綜合提升。傳輸技術(shù)復(fù)雜化和智能化是5G 提升的重要表現(xiàn)。5G 在發(fā)展過程中，有些技術(shù)人員表示在預(yù)期內(nèi)的自組織網(wǎng)絡(luò)（Self-Organizing Network，SON）技術(shù)無法起到穩(wěn)定協(xié)同的作用。但是，經(jīng)過我國(guó)5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)研發(fā)技術(shù)人員的不斷研究與試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)無限傳輸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后可以使其整體出現(xiàn)自動(dòng)愈合的狀態(tài)，從而使5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)也間接地改良宏站覆蓋區(qū)域中的低功率節(jié)點(diǎn)。所改良的這些節(jié)點(diǎn)可以在固定密度的狀態(tài)下形成穩(wěn)定的連接網(wǎng)絡(luò)，從而形成了研究人員所定義的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)是5G 中的核心部分，只有實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新與突破，才能夠升級(jí)5G，從而使5G 獲得更好的發(fā)展。

2.2 無限傳輸技術(shù)

無限傳輸技術(shù)是5G 中的重要組成部分，當(dāng)前我國(guó)的5G 中無限傳輸技術(shù)主要可以分為兩類。

2.2.1 MIMO 無限傳輸技術(shù)

多進(jìn)多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）無限傳輸技術(shù)通過在發(fā)送端和接收端使用多根天線，在收發(fā)之間構(gòu)成多個(gè)信道，可以極大提高信道容量。MIMO 具有極高的頻譜利用效率,在對(duì)現(xiàn)有頻譜資源充分利用的基礎(chǔ)上通過利用空間資源來獲取可靠性與有效性兩方面增益，其代價(jià)是增加了發(fā)送端與接收端的處理復(fù)雜度。MIMO 無限傳輸技術(shù)可以在同一個(gè)頻率內(nèi)為不同的信息接收對(duì)象提供支持，并降低信息傳遞過程中所受到的干擾，提高傳輸效率。大規(guī)模MIMO 技術(shù)采用大量天線來服務(wù)數(shù)量相對(duì)較少的用戶,可以有效提高頻譜效率。

2.2.2 全雙工技術(shù)

全雙工技術(shù)在我國(guó)運(yùn)營(yíng)商的雙向通信范圍內(nèi)應(yīng)用，與4G相比，在理論上全雙工技術(shù)具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。4G 只能夠在同一頻率上以固定的形式進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，所配備的網(wǎng)絡(luò)接收站會(huì)受到許多影響，整體的信息傳輸速率較低。全雙工技術(shù)的實(shí)裝和應(yīng)用能夠使5G 的傳輸速率得到進(jìn)一步提升［2］。

2.3 D2D 技術(shù)

D2D（Device-to-Device）技術(shù)是5G 的核心技術(shù)之一，D2D技術(shù)是解決終端設(shè)備和基站通信問題所應(yīng)用的通信技術(shù)，能夠有效提高用戶通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，解決了4G 中數(shù)據(jù)傳輸流量浪費(fèi)情況嚴(yán)重的問題。D2D 技術(shù)的研發(fā)目的是解決蜂窩數(shù)據(jù)連接問題，降低用戶之間的距離對(duì)信息傳輸速率的影響，進(jìn)而提高用戶設(shè)備之間信息傳輸?shù)乃俾?。D2D 的耗能較小，且通信距離較長(zhǎng)，信號(hào)較為穩(wěn)定，還具有很高的安全性，對(duì)于5G 的發(fā)展具有重要的影響。

2.4 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是基于超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上發(fā)展而來的新型技術(shù)，對(duì)于5G 的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。5G 是未來通信技術(shù)主要的發(fā)展方向，人們對(duì)信息的需求量在不斷增加，近年來，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的增長(zhǎng)十分迅速，小區(qū)半徑參數(shù)減小、低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)量也在不斷增加。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模節(jié)點(diǎn)的寫作，這正是5G 所需要的技術(shù)，因此未來5G 的研發(fā)人員要考慮到不規(guī)則形狀網(wǎng)、小區(qū)的邊界數(shù)量等問題，要積極引入網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署技術(shù)，提高5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量和水平。

2.5 自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，技術(shù)人員不僅要做好網(wǎng)絡(luò)部署工作，還應(yīng)關(guān)注5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，保證5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可以在最佳的狀態(tài)下運(yùn)行。5G 移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，無線接入技術(shù)具有多樣性，不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的覆蓋能力也有著很大的差別。因此，在自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用中，要有效解決5G 中網(wǎng)絡(luò)部署和配置問題，使5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)自我優(yōu)化，再結(jié)合相關(guān)的技術(shù)，對(duì)5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中的故障進(jìn)行排查和分析，從而降低5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和維護(hù)成本，提高網(wǎng)絡(luò)故障的解決效率，為用戶提供更高質(zhì)量的5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)［3］。

2.6 毫米波通信技術(shù)

毫米波通信技術(shù)是微波高頻技術(shù)和光波低頻技術(shù)的延展性應(yīng)用。在當(dāng)前我國(guó)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中，投入使用的頻段資源較少，主要集中在6 Hz 以下。毫米波資源較為豐富，潛在的開發(fā)空間和利用空間較為廣闊，在實(shí)際開發(fā)與應(yīng)用過程中，通過將毫米波與通用移動(dòng)通信技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）和緊急需求指示器（Urgency of Need Designator，UND）進(jìn)行重疊，能夠充分發(fā)揮出毫米波的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并采用增加天線數(shù)量、控制毫米波長(zhǎng)的方式能夠取得良好的應(yīng)用效果。現(xiàn)如今，我國(guó)部分科研人員已經(jīng)開展將毫米波通信技術(shù)與MIMO 技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，從而使容量空間得到了一定的擴(kuò)大，使得通信網(wǎng)絡(luò)的使用效率進(jìn)一步提升，能夠提高5G 技術(shù)的數(shù)據(jù)下載速度。

3 5G 未來發(fā)展趨勢(shì)分析

5G 主要在手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備中應(yīng)用，而且隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們?cè)谝苿?dòng)設(shè)備上已經(jīng)不是進(jìn)行簡(jiǎn)單的信息收發(fā)，而是需要進(jìn)行多項(xiàng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)，人們對(duì)信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室笤絹碓礁?，各種高質(zhì)量的圖片、音頻、視頻等需要在瞬間內(nèi)完成傳輸，才能夠滿足人們的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需求［4］。5G 已經(jīng)被稱為“時(shí)代發(fā)展的必然產(chǎn)物”和“未來移動(dòng)通信的必然發(fā)展趨勢(shì)”。但是從實(shí)際應(yīng)用情況來看，5G 還存在許多欠缺，其應(yīng)用價(jià)值還沒有被完全開發(fā)出來。也就是說，5G 目前還處于研發(fā)時(shí)期，需要經(jīng)過技術(shù)人員的不斷研究與實(shí)踐，才能夠進(jìn)一步開發(fā)出5G的全部功能，最大化發(fā)揮5G 的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合我國(guó)過去幾十年中移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展歷程來看，5G 的應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段路要走。5G 要通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的形式來減少人工成本，還需要解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋能力不均衡的技術(shù)問題。目前，我國(guó)在5G 領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多重要的科研成果，整體科研水平走在世界前列。5G 技術(shù)作為未來能夠改變通信網(wǎng)絡(luò)基本模式的重要技術(shù)，我國(guó)在這一方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)彎道超車。未來持續(xù)增加對(duì)5G 技術(shù)的研究，能夠全面促進(jìn)我國(guó)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平提高，是提高我國(guó)綜合國(guó)力的必要舉措。

4 結(jié)語(yǔ)

5G 的發(fā)展前景非常廣闊，因此需要技術(shù)人員進(jìn)行不斷的研究與探索，從而促進(jìn)5G 更好地應(yīng)用，為社會(huì)群眾提供更好的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)保障我國(guó)的通信安全，使我國(guó)在5G 方面能夠走在國(guó)際前列。