5G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)與展望

許中堂

【摘要】第5代移動通信系統(tǒng)（5G）是面向2020年之后的新一代移動通信系統(tǒng)，其技術(shù)的研發(fā)仍處于探索階段。結(jié)合國內(nèi)外移動通信發(fā)展的最新趨勢，通過對5G移動通信技術(shù)的發(fā)展要求、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】5G；移動通信；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展趨勢；無線傳輸技術(shù)；無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

Key Technologies and Prospects of 5G Mobile Communication

Xu Zhong-tang

（Shaanxi Tianyuan Communication Planning and Design Consulting Co.， LtdXianShanxi710000）

【Abstract】The 5th generation mobile communication system （5G） is a new generation mobile communication system after 2020， and its technology research and development is still in the exploratory stage. Combined with the latest development of mobile communications at home and abroad， through the development of 5G mobile communication technology requirements， key technologies and development trends in the future.

【Key words】5G；Mobile communication；Key technology；Development trend；Wireless transmission technology；Wireless network technology

1. 概述

（1）隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，移動通信技術(shù)也在突飛猛進(jìn)第發(fā)展。從2G到3G，再到當(dāng)前的4G，短短幾年時間移動通信技術(shù)就達(dá)到了質(zhì)的飛躍。各種類型的通信技術(shù)有著各自的發(fā)展階段和技術(shù)特點。接下來的5G通信技術(shù)是發(fā)展的必然，有什么樣的創(chuàng)新技術(shù)，將成為人們對移動通信技術(shù)發(fā)展和期望的關(guān)注點。

（2）與前幾代移動通信相比，第五代移動通信技術(shù)（5G）的業(yè)務(wù)提供能力將更加豐富，而且，面對多樣化場景的差異化性能需求，5G很難像以往一樣以某種單一技術(shù)為基礎(chǔ)形成針對所有場景的解決方案。我國IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布的5G概念白皮書從5G愿景和需求出發(fā)，分析歸納了5G主要技術(shù)場景、關(guān)鍵挑戰(zhàn)和適用關(guān)鍵技術(shù)，提取了關(guān)鍵能力與核心技術(shù)特征并形成5G概念。2015年6月，國際電信聯(lián)盟（ITU）將5G正式命名為IMT-2020并且把移動寬帶、大規(guī)模機器通信和高可靠、低時延通信定義為5G主要應(yīng)用場景，如圖1所示。圖2展示了不同應(yīng)用場景下不同的技術(shù)要求。5G不再單純地強調(diào)峰值速率，而是綜合考慮8個技術(shù)指標(biāo)：峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、移動性、時延、連接數(shù)密度、網(wǎng)絡(luò)能量效率和流量密度。

（3）國際電信聯(lián)盟在今年6月結(jié)束的ITU-RW P5D第22次會議上，確定了第五代移動通信即5G技術(shù)的發(fā)展時間表，將征集候選技術(shù)，在2019年進(jìn)行技術(shù)評估，繼而選擇關(guān)鍵技術(shù)，最后制定標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計將在2020年正式商用，未來將成為連接所有行業(yè)和生態(tài)圈的底層基礎(chǔ)設(shè)施。

2. 技術(shù)特點

2.1根據(jù)移動通信的發(fā)展規(guī)律，5G將具有超高的頻譜利用率和能效，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動通信提高一個量級或更高，其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統(tǒng)安全和用戶體驗也將得到顯著的提高。5G移動通信將與其他無線移動通信技術(shù)密切結(jié)合，構(gòu)成新一代無所不在的移動信息網(wǎng)絡(luò)，滿足未來10年移動互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍的發(fā)展需求。5G移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也將進(jìn)一步擴展，對海量傳感設(shè)備及機器與機器（M2M）通信的支撐能力將成為系統(tǒng)設(shè)計的重要指標(biāo)之一，未來5G系統(tǒng)還須具備充分的靈活性，具有網(wǎng)絡(luò)自感知、自調(diào)整等智能化能力，以應(yīng)對未來移動信息社會難以預(yù)計的快速變化。

2.2移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為5G移動通信提供了動力基礎(chǔ)。

2.2.1移動互聯(lián)網(wǎng)將成為未來各種技術(shù)的基礎(chǔ)性平臺。當(dāng)前的移動通信技術(shù)和無線技術(shù)將成為5G通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，但有著更高的通信傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)效率的要求。未來5G技術(shù)發(fā)展方向?qū)⒃谝韵氯齻€方面得到提升：

（l）無線傳輸效率；

（2）通信系統(tǒng)的智能化和系統(tǒng)吞吐率；

（3）無線通信頻率資源。

2.2.2在科學(xué)信息技術(shù)新的發(fā)展和變革時期，5G技術(shù)的發(fā)展具有以下特點：

（1）更加注重用戶的體驗，提高和改善通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、吞吐效率及3D等能力，將成為5G性能的重要指標(biāo)；

（2）完善和健全網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多點、多面、多用戶多無線，提高系統(tǒng)性能；

（3）5G技術(shù)將實現(xiàn)無處不在的無線信號覆蓋，優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)；

（4）充分利用高頻段頻譜資源，實現(xiàn)5G的普遍廣泛應(yīng)用；

（5）可靈活化的配置5G移動無線通信網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)通信運營商可根據(jù)實時的流量動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，降低成本和消耗。

3. 關(guān)鍵技術(shù)

下面對業(yè)界目前十分關(guān)注的5G關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡要介紹：

3.1高頻段傳輸技術(shù)。 隨著移動終端用戶量的不斷增加，頻譜資源變得越來越稀缺，但是如果通過高頻段傳輸就可以有效地解決這個問題。目前移動通信系統(tǒng)的頻段主要在3GHz以內(nèi)，但是如果采用高頻段帶寬就會達(dá)到273.5GHz，這樣不僅通信設(shè)備的尺寸要小很多，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)短距離內(nèi)的高速通信，滿足用戶容量、速率等多方而的需求。

3.2多天線傳輸技術(shù)。 多天線傳輸技術(shù)是目前5G技術(shù)中唯一需要重點研究的方而，它能夠?qū)崿F(xiàn)從二維到三維、從無源到有源、從高階多輸入多輸出到大規(guī)模陣列的發(fā)展，能夠充分提高頻譜利用率，預(yù)計至少應(yīng)該在15倍以上。

3.3同時同頻全雙工技術(shù)。 由于同時同頻全雙工技術(shù)能夠在相同的物理信道上對兩個方向的信號進(jìn)行傳輸，因而也被稱為是高效的頻譜效率技術(shù)。它能夠消除通信雙工節(jié)點自身發(fā)射機信號的干擾，既可以發(fā)射信號機信號，又可以接受另一節(jié)點的同頻信號，這樣的話就能夠有效地提升頻譜效率，使移動通信網(wǎng)絡(luò)更加具有靈活性。

3.4設(shè)備間自接通信技術(shù)。 在5G網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，用戶的規(guī)模、數(shù)據(jù)的流量都將會大幅地增加，以傳統(tǒng)基站模式為中心的組網(wǎng)方式顯然已經(jīng)不能滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，而設(shè)備間自接通信的技術(shù)正好可以實現(xiàn)在沒有基站的情況下也能有效運轉(zhuǎn)，并且還開拓了接入方式和網(wǎng)絡(luò)連接。

3.5密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的目標(biāo)是4G的1000倍，想要實現(xiàn)這個目標(biāo)需要應(yīng)用兩種技術(shù)：

（1）布置大規(guī)模的天線在宏基站處用來獲得室外空間增益；

（2） 通過布置密集的網(wǎng)絡(luò)來滿足室內(nèi)外的數(shù)據(jù)傳輸需求，由此可見，5G將會采用更加密集的方案，將會部署超過200個以上扇區(qū)。

3.6新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)。 未來5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將會呈現(xiàn)扁平化、低成本、低時延、易維護(hù)等特點，當(dāng)前的研究方向主要還集中在C-RAN和云架構(gòu)，C-RAN屬于一種新型無線接入架構(gòu)，云架構(gòu)指的是基于云計算大規(guī)模協(xié)作的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3.7智能化技術(shù)。 5G網(wǎng)絡(luò)是由大型服務(wù)器組成的云計算平臺，主要通過具有數(shù)據(jù)減緩功能的路由器和交換機網(wǎng)絡(luò)來連接基站，采用宏基站能夠?qū)崿F(xiàn)云計算存儲功能、大數(shù)據(jù)存儲功能、處理時效性強的數(shù)據(jù)、處理多樣化的業(yè)務(wù)、連接方式的多樣化等功能，全而實現(xiàn)信息通信技術(shù)的智能化。

4. 未來展望

（1）目前，世界各國針對未來5G移動通信網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)的可行性研究、標(biāo)準(zhǔn)化以及產(chǎn)品發(fā)展方面進(jìn)行了大量的投入，5G的發(fā)展需要在統(tǒng)一的框架下進(jìn)行全球范圍內(nèi)的協(xié)調(diào)。同時，在5G通信系統(tǒng)中，大規(guī)模多天線和信道建模等不斷研究和創(chuàng)新，不僅能夠有效改善無線頻譜的利用效率，而且加快了無線數(shù)據(jù)傳輸速率并支持更多終端的接入。為了應(yīng)對未來信息社會高速發(fā)展的趨勢，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備智能化的自感知和自調(diào)整能力，C-RAN、 D2D等技術(shù)的研究正是出于這一目的，并且高度的靈活性也將成為未來5G網(wǎng)絡(luò)必不可少的特性之一。同時，綠色節(jié)能也將成為5G發(fā)展的重要方向，網(wǎng)絡(luò)的功能不再以能源的大量消耗為代價，實現(xiàn)無線移動通信的可持續(xù)發(fā)展。

（2）未來10年內(nèi)，移動通信將發(fā)生翻天覆地的變化。目前，4G剛剛部署不久，還將持續(xù)很長時間商用。作為面向2020年之后產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新一代移動通信技術(shù)，5G在提高大帶寬、解決萬物互連、實現(xiàn)更可靠和更低時延通信方面具有重要影響。2016年，5G技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，3GPP已經(jīng)在2016年開始了5G標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)研，后續(xù)5G技術(shù)方案征集、標(biāo)準(zhǔn)化工作等也會緊鑼密鼓地開展。

（3）5G是一個融合的網(wǎng)絡(luò)，也是一個更加復(fù)雜和密集的網(wǎng)絡(luò)。5G的支持遠(yuǎn)超3G、 4G網(wǎng)絡(luò)所滿足的場景、數(shù)據(jù)量及設(shè)備接入量，實現(xiàn)這一網(wǎng)絡(luò)需要技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。此外，5G也將更全方位地注重用戶體驗，將根據(jù)不同用戶的個性化需求智能部署，實現(xiàn)用戶在任何時問、任何地點都能夠方便、快捷地接入。同時，5G技術(shù)的未來不僅在于數(shù)據(jù)傳輸速度的進(jìn)一步提升，更在于它是人類能力的延伸，周圍的一切物體都處于實時聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，能夠互相感知交互。

5. 結(jié)束語

結(jié)合5G關(guān)鍵的無線傳輸技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行探討，將5G移動通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行明確化，促進(jìn)5G技術(shù)的實質(zhì)性發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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