5G移動通信發展現狀及其關鍵技術

張鋒 王明華

【摘要】 第5代移動通信（5G）是面向2020年以后的新一代移動通信系統，其愿景和需求已逐步得以確立，但相關技術發展目前仍處于探索階段。本文簡單介紹了5G移動通信的發展前景；概述了國內外5G移動通信的發展現狀及相關研發單位和組織的學術活動；重點針對5G移動通信中富有發展前景的若干項關鍵技術做了詳細的闡述，包括Massive MIMO、超密集異構網絡、毫米波技術、D2D通信、全雙工無線傳輸、軟件定義網絡、網絡功能虛擬化和自組織網絡等。

【關鍵詞】 5G 發展現狀 關鍵技術

前言

社會的進步，使人與人、人與萬物的交集越來越大，人們對通信技術的需求和更優性能的追求在當今變得更加迫切。無論是在移動通信起步的伊始，還是迅速發展的當下，人們對移動通信的追求都是更快捷，更低耗，更安全。第五代移動通信為滿足2020年以后的通信需求被提出，現今受到無數學人的關注。

第5代移動通信（fifth generation mobile communication network，5G）作為新一代的移動通信肩負著演進并創新現有移動通信的使命。它主要通過在當今無線通信技術的基礎上演進并開發新技術加以融合從而構建長期的網絡社會，是新、舊無線接入技術集成后方案總稱，是一種真正意義上的融合網絡。

一、5G發展現狀

移動通信界，每一代的移動無線通信技術，從最開始的愿景規劃，到技術的研發，標準的制定，商業應用直至其升級換代大致周期都是十年。每一次的周期伊始，誰能搶占技術高地，更早的謀劃布局，誰就能在新一輪‘通信大洗牌中獲得領先優勢。我國在5G之前的全球通信競備中一直是落后或慢于發達國家的發展速度，因而在新一輪5G通信的競備中國家是非常重視并給予了大力支持。2013年初，我國便成立了專項面對5G移動通信研究與發展的IMT-2020推進組，迅速明確了5G移動通信的愿景，技術需求，應用規劃。2013年6月，國家863計劃啟動了5G移動通信系統先期研究一期重大項目。令人振奮的是2016年伊始，我國正式啟動5G技術試驗，這是我國通信業同國際同步的一個重要信號。

同樣2013年以來，歐盟、韓國等國家與地區也成立相關組織并啟動了針對5G的相關重大的科研計劃[1]：1）METIS是歐盟第七框架計劃中的一部分，項目研究組由愛立信、法國電信及歐洲部分學術機構共29個成員組成，旨在5G的愿景規劃，技術研究等。2）5G PPP是由政府（歐盟）出資管理項目吸引民間企業與組織參加，其機制類似于我國的重大科技專項，計劃發展800個成員，包括ICT的各個領域。3）5G Forum是由韓國發起的5G組織，成員涵蓋政府，產業，運營商和高校，主要愿景是引領和推進全球5G技術。

二、5G關鍵技術

結合當前移動通信的發展勢頭來看，5G移動通信關鍵技術的確立仍需要進一步的考量和市場實際需求的檢驗。未來的技術競爭中哪種技術能更好的適應并滿足消費者的需求，誰能夠在各項技術中脫穎而出，現階段仍然不能明確的確立。但結合當前移動通信網絡的應用需求和對未來5G移動通信的一些展望，不難從諸多技術中總結出幾項富有發展和應用前景的關鍵性技術[1]。

2.1 Massive MIMO

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術其實在5G之前的通信系統中已經得到了一些應用，可以說它是一種作為提高系統頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段。但因天線占據空間問題、實現復雜度大等一系列條件的制約，導致現有MIMO技術應用中的收發裝置所配置的天線數量偏少。但在Massive MIMO中，將會對基站配置數目相當大的天線，將把現階段的天線數量提升一到兩個數量級。它所帶來的巨大的容量和可靠性吸引了大量通信研究人員的眼球，彰顯了該技術的優越性。

它的應用能夠給我們帶來的好處是：1）較于以往的多入多出系統，Massive MIMO可以加大對空間維度資源的利用，為系統提供更多的空間自由度。2）因其系統架構的優越性，可以做到降干擾、提升功率效率等。

同時它也存在著一系列問題：1）因缺乏大量理論建模、實測建模方面工作的支撐，當前沒有認可度較高的信道模型。2）在獲取信道信息時的開銷要依靠信道互易性來降低，但是當前的假定方案中使用比較多的是TDD系統，且用戶均為單天線，與基站天線數量相比明顯不足，當用戶數量增加時則會致使導頻數量線性增加，冗余數據劇增。3）當前Massive MIMO面對的瓶頸問題主要是導頻污染。

Massive MIMO在5G移動通信中的應用可以說是被寄予厚望，它將是5G區別以往移動通信的主要核心技術之一。

2.2 超密集異構網絡

應5G網絡發展朝著多元、綜合、智能等方向發展的要求，同時隨著智能終端的普及，數據流的爆炸式增長將逐步彰顯出來，減小小區半徑、增加低功率節點數等舉措將成為滿足5G發展需求并支持愿景中提到的網絡流量增長的核心技術之一。超密集組網的組建將承擔5G網絡數據流量提高的重任。未來無線網絡中，在宏站覆蓋范圍內，無線傳輸技術中的各種低功率的節點密度將會是現有密度5-15倍，站點間的距離將縮小到10米以內，站點與激活用戶甚至能夠做到一對一的服務，從而形成超密集異構網絡[2]。超密集異構組網中，網絡的密集化的構造拉近了節點與終端的距離，從而使功率效率和頻譜效率加以提升，并且可以讓系統容量得到巨幅提升。

2.3毫米波技術

在5G網絡中，與即將面對的巨大的業務需求相沖突的是傳統移動通信頻譜資源已趨于飽和。如何將移動通信系統部署在6GHz以上的毫米波頻段正成為業界廣泛研究的課題。相比于傳統移動通信頻譜的昂貴授權費，MMW頻段中包含若干免費頻段，這使得其使用成本可能會降低。MMW頻譜資源極為豐富可以尋找到帶寬為數百兆甚至數千兆的連續頻譜，連續頻譜部署在降低部署成本的同時也提高了頻譜的使用率[3]。

2.4 D2D通信

在未來5G網絡中，無論是網絡的容量還是對頻譜資源的利用率上都將會得到很大空間的提升，豐富的信道模式以及出色的用戶體驗也將成為5G重要的研發著力點。D2D通信具有潛在的提升系統性能，增強用戶體驗，減輕基站壓力，提高頻譜利用率等前景，因而它也是未來5G網絡的關鍵技術之一。

D2D通信是一種在蜂窩系統架構下的近距離數據直接傳輸技術。用戶之間使用的智能終端可以在不經基站轉發的情況下直接傳輸會話數據，且相關的控制信號仍由蜂窩網絡負責。這種新型傳輸技術讓終端可以借助D2D在網絡覆蓋盲區實現端到端甚至接入蜂窩網絡，從而實現通信功能。

2.5全雙工無線傳輸

全雙工無線傳輸是區別于以往同一時段或同一頻率下只能單向傳輸的一種通信技術。能夠實現雙向同時段、同頻傳輸的全雙工無線傳輸技術在提升頻譜利用率上彰顯出其優越性，它能夠使頻譜資源的利用趨于靈活化。全雙工無線傳輸技術為5G系統挖掘無線頻譜資源提供了一種很好的手段，使其成為5G移動通信研究的又一個熱點技術。

同樣，在全雙工無線傳輸技術的應用上也有很多阻力因素：同頻、同時段的傳輸，在接收端和發射端的直接功率差異是非常大的，會產生嚴重自干擾。而且全雙工技術在同其他5G技術融合利用時，特別是在Massive MIMO條件下的性能差異現在還缺乏深入的理論分析[4]。

2.6軟件定義網絡（SDN）與網絡功能虛擬化（NFV）

SDN技術是源于Internet的一種新技術。該技術的思路是將網絡控制功能從設備上剝離，統一交由中心控制器加以控制，從而實現控、轉分離，使控制趨于靈活化，設備簡單化。

同時在考慮網絡運營商的運維實際也提出了一種新型的網絡架構體系NFV，該體系利用IT技術及其平臺將網元功能虛擬化，根據用戶的不同業務需求在VNF（Virtual Network Feature）的基礎上進行相應的功能塊連接與編排。NFV的核心所在即降低網絡邏輯功能塊和物理硬件模塊的相互依賴，提高重用，利用軟件編程實現虛擬化的網絡功能，并將多種網元硬件歸于標準化，從而實現軟件的靈活加載，大幅度降低基礎設備硬件成本。

2.7自組織網絡

運營商在傳統的移動通信網絡中，網絡的部署和基站的維護等都需要大量人工去一線維護，這種依賴人力的方式提供的服務低效、高昂等弊端一直深受用戶詬病。因此，為了解決網絡部署、優化的復雜性問題，降低運維成本相對總收入的比例，便有了自組織網絡的概念。

SON的應用將會為無線接入技術帶來巨大的便利，如實現多種無線接入技術的自我融合配置，網絡故障自我愈合，多種網絡協同優化等等。但當前在技術的完備上也存在一系列挑戰：不支持多網絡之間的協調，鄰區關系因低功率節點的隨機部署和復雜化需發展新的自動鄰區關系技術等。

三、小結

5G移動通信作為下一代移動通信的承載者，肩負著特殊的使命，在完成人們對未來移動通信的諸多憧憬上被寄予厚望。本文概述了當前5G幾項富有發展前景的關鍵性技術，結合5G一系列的發展背景和人們多方面的通信需求，對幾項關鍵技術的利弊加以剖析。可以預計的是未來幾年5G的支撐性技術將被確立，其關鍵技術的實驗、標準的制定以及商業化的應用也將逐步展開。

參 考 文 獻

[1]趙國峰，陳婧等.5G移動通信網絡關鍵技術綜述[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2015.08 DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2015.04.003

[2] Kela，P. Turkka，J. Costa，M. Borderless Mobility in 5G Outdoor Ultra-Dense Networks[J]，Access， IEEE（Volume：3），2015.08，pages1462-1476.

[3] JungSook Bae， Yong Seouk Choi，Architecture and Performance Evaluation of MmWave Based 5G Mobile Communication System[C]，Information and Communication Technology Convergence（ICTC），2014 International Conference On.IEEE，2014.10，pages847-851.

[4] Wang，X.Huang，H.Hwang，T. On the Capacity Gain from Full Duplex Communications in A Large Scale Wireless Network[J]， IEEE EARLY ACCESS ARTICLES， 2015.10.