5G挑戰(zhàn)及技術趨勢

李佶 蔣雷敏

摘 要：自20世紀80年代以來，移動通信從移動蜂窩到數(shù)字蜂窩，再到近期的CDMA、LTE技術已經(jīng)過四代演進。現(xiàn)在，曾經(jīng)炙手可熱的3G漸漸退出舞臺，4G已經(jīng)開始商用，但人們對于移動互聯(lián)的需求不斷增加，促使新一代移動通信系統(tǒng)的產(chǎn)生：5G研究正如火如荼地進行。本文基于前四代移動通信系統(tǒng)，主要分析5G的改進，從當前現(xiàn)狀開始，根據(jù)用戶的需求提出5G目標，探討技術演進以及理想的效果。

關鍵詞：5G；挑戰(zhàn)；目標；技術趨勢；頻率使用方式；高頻段通信

1 現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

2012年11月，歐盟委員會正式啟動METIS項目，開展5G研究，為建立5G移動通信系統(tǒng)奠定堅實基礎。緊接著，2013年2月，我國IMT-2020（5G）推進組成立，集中國內(nèi)多方力量，為5G工作的推進提供平臺。目前國內(nèi)有不少單位參與5G研究項目，與三星、愛立信、諾西等國際公司進行合作，5G已成為全球移動通信領域新趨勢。

眾所周知，4G技術已經(jīng)使數(shù)據(jù)速率得到了一個很大的提高，能實現(xiàn)G級的速度，大大改善了3G的傳輸速率，在智能控制、標準不統(tǒng)一等問題上也有不錯的解決。據(jù)統(tǒng)計，4G網(wǎng)絡發(fā)展速度遠遠超過3G，可以說在移動通信史上獨一無二。目前，TD-LTE技術基本成熟，網(wǎng)絡性能大大提升，足以滿足用戶的一般需求。但是4G仍然存在缺陷，不進一步發(fā)展終將被淘汰。

METIS 5G總負責人Afif Osseiran曾說過：預計未來10年數(shù)據(jù)流量將增加1000倍，到2020年將有500億的設備連接，產(chǎn)生前所未有的多樣性要求和無線連接性相關的應用場景。流量激增，互聯(lián)設備大幅增長，應用場合多樣化，都使用戶在穩(wěn)定性、不同場合間自由切換方面提出新的要求。

2 5G目標

一直以來，速度一直是評判移動通信系統(tǒng)的重要標準，5G帶來的不僅僅是速度提升。Afif Osseiran認為：5G將強調(diào)用戶享受極限網(wǎng)絡體驗的方式，它采用以體驗為中心的方式，通過集成多種無線接入技術提供極限體驗來滿足用戶不同的需求。由此可見用戶體驗的重要性，頻譜效率不再是唯一的追求目標。

5G希望打造一個擁有大數(shù)據(jù)流量、高網(wǎng)絡效率、好用戶體驗，同時網(wǎng)絡兼容性良好，低功耗、綠色可持續(xù)的網(wǎng)絡，能夠適應超高速、超密集的應用，并在多種不同場合間自由切換，帶來極速體驗、海量鏈接。

為了實現(xiàn)這些要求，具體有五方面技術目標：速率方面，實現(xiàn)M級到G級的跨越；時延方面，達到毫秒級；連接設備密度提高，達到每平方公里600萬個；流量密度提升，至少每平方公里20Tbps；移動性加強，實現(xiàn)高鐵環(huán)境下的良好用戶體驗。

3 5G技術趨勢

3.1 網(wǎng)絡融合

網(wǎng)絡融合充分利用已有的資源，節(jié)約成本，正符合通信移動系統(tǒng)的可持續(xù)性要求。5G將更加促進網(wǎng)絡融合的趨勢，包括：不同領域的跨界融合，多業(yè)務系統(tǒng)的融合以及2G、3G、4G的網(wǎng)絡融合。

通信技術與信息、電子技術不可分離，跨界融合在網(wǎng)絡架構、系統(tǒng)效果以及終端、應用方面都有一定影響。而無線業(yè)務也早已普及開來，電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)深入生活，衛(wèi)星通信與地面移動融合、寬帶接入與移動蜂窩融合，都給人們提供更豐富的服務。移動通信網(wǎng)絡方面，2G、3G主要是語音業(yè)務，4G的TDD、FDD主要承載數(shù)據(jù)業(yè)務，WLAN是承載移動數(shù)據(jù)業(yè)務的重要補充。彼此間優(yōu)勢互補，充分融合能實現(xiàn)低成本高效率的均衡發(fā)展。

3.2 LTE與LTE-A的進一步演進

LTE、LTE-A作為4G的主導技術，大大改善了網(wǎng)絡性能，對5G的研究意義重大。

LTE最主要特征是多天線技術，它的發(fā)展有可能使得頻譜效率提高數(shù)十倍。有源天線基礎上分離垂直方向的多陣子，引入有源天線陳列，實現(xiàn)3D-MIMO，支持多波束智能賦形、多用戶復用，并且相互間干擾減小。而Massive MIMO技術與空時編碼的結合，很大程度上提高空間復用效率，系統(tǒng)容量提升。

目前產(chǎn)業(yè)認為達到5G目標需要使無線網(wǎng)絡容量增加1000倍。粗略地來講，需要頻譜效率增加6倍，帶寬增加3倍，網(wǎng)絡密度增加56倍。

5G可能采用大規(guī)模的MIMO技術、同頻全雙工技術等提高頻譜效率；開發(fā)高頻段通信，利用寬載波來增加帶寬；廣泛應用小基站等等來增加網(wǎng)絡密度。

3.3 技術創(chuàng)新

頻率資源有限但是需求無限，這就決定了固定頻率分配不再適用。如果可以動態(tài)感知業(yè)務狀況，實時調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、使用頻率，對空閑頻段加以利用，就能大大提高頻譜使用效率，這就是感知無線電技術。未來5G需要最大可能地提高頻譜效率。

傳統(tǒng)移動通信主要集中在3GHz以下的頻段，移動性較好，但是3GHz畢竟有限，早已擁擠不堪，而在高頻段還有大量資源等待開發(fā)。眼下，小覆蓋蜂窩系統(tǒng)大多在3GHz到6GHz之間，未來需要考慮6GHz及以上頻段，來滿足日益增長的容量、速率需求。

4 總結

毋庸置疑，5G將占據(jù)全球移動通信的主導地位，它將采用新的頻率使用方式，通過更高頻段的通信，結合相關技術，提供更快、更高效、更綠色同時用戶體驗更好的移動通信系統(tǒng)，給人們的生活帶來更高價值。

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