5G網絡的關鍵技術及發展趨勢

◆陳俞凱 宋 灝

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5G網絡的關鍵技術及發展趨勢

◆陳俞凱 宋 灝

（空軍預警學院 湖北 430019）

隨著大數據時代的到來，移動數據呈現出爆炸式增長，各行各業產生的海量數據需求必然會對傳統通信網絡帶來巨大挑戰。目前，5G網絡即第五代移動通信系統已成為下一步研究與發展的重點，但其技術發展尚未成熟。2015年6月24日，國際電信聯盟公布5G技術標準化時間表，5G技術的正式名稱為IMT-2020,5G標準將在2020年制定完成。基于此，本文結合國內外移動通信發展的最新趨勢，概括性的介紹了5G網絡的關鍵技術并展望了5G網絡未來的發展趨勢。

5G；關鍵技術；發展趨勢

0 前言

自20世紀70年代以來，經過40多年的發展，移動通信技術不斷提高，在人們生活中發揮的作用越來越大。然而現階段我們所使用的4G通信技術實質上并沒有脫離以前的通信技術，只是在傳統通信技術的基礎上利用了一些新的通信技術，來提高無線通信的網路功率和功能。隨著移動互聯網的高速發展和物聯網業務的不斷增長，智慧城市，智能電網等概念相繼提出，4G通信技術越來越無法滿足各種場景下用戶對移動通訊的需求，5G移動通訊技術的研究應運而生。5G作為4G的延伸，是面向2020年以后移動通信需求而發展的新一代移動通信系統，將會是一個真正意義上的融合網絡，提供人與人、人與物、物與物之間高速,安全和自由的聯通。與4G相比，5G將具有超高的頻譜利用率和能效，數據傳輸率和資源利用率也會得到較大提升，并以低成本、低耗能、安全可靠以及更好的無線覆蓋性能帶來更優越的用戶體驗。

1 5G網絡關鍵技術

移動互聯網的蓬勃發展使5G的開發成為國內外通信領域的研究熱點，但關鍵技術仍在研發階段，其概念和技術也尚未形成統一標準。依據目前移動通訊技術的發展現狀，本文將從無線傳輸技術和無線網絡技術兩大方面介紹5G網絡的關鍵技術。

1.1 無線傳輸技術

（1）大規模MIMO無線傳輸技術

所謂大規模MIMO（Massive MIMO），就是多用戶多入多出技術(MU-MIMO)的升級。為了提升無線信號的傳輸質量，在傳統MIMO技術中，會采用多個天線將無線信號進行同步收發。而大規模MIMO技術會在基站端布置幾百根天線（128根或者256根甚至更多），對幾十個目標進行無線信號收發，使空間資源充分挖掘，從而有效利用頻帶資源并提升網絡容量。大規模MIMO并不只是簡單的擴增天線數量，當天線的數量趨于很大（無窮）時，信道之間趨于正交，其系統性能越穩定。

使用大規模MIMO的好處，不僅能大幅度提高網絡容量，還在于在使用過程中其功率將會大大減少。同時，與單天線傳輸相比，幾百根天線組成幾百個相互獨立的信道，這就使得通信系統變得更加易于處理。因此，大規模MIMO技術在5G中的運用至關重要。但是，要想發揮大規模MIMO技術理論上的全部性能，還需要突破信道模型、容量和傳輸技術性能分析、預編碼技術、信道估計與信號檢測技術等方面的瓶頸。

（2）全雙工技術

全雙工（Full Duplex）技術是在微處理器與外圍設備之間采用發送線和接受線各自獨立的方法，可以使數據在兩個方向上同時進行傳送操作。簡單來說，就是在發送數據的同時也能接收數據，兩者同時進行。

理論上全雙工技術可以大幅度提高頻譜利用率，減少時延，以便于5G系統最大程度上使用無線頻譜資源。但是實現全雙工技術的運用仍有關鍵性的一點還未突破——如何消除自干擾，自干擾是由于發送信號和接受信號之間的差異過大而產生的。目前已有多個研究團隊致力于該難題研究并提出了一些改進技術。無容置疑的是，一旦全雙工技術發展成熟并運用，將會促成5G網絡技術的大飛躍。

1.2無線網絡技術

（1）超密集異構網絡技術

據估算，由于移動互聯網的飛速發展，設備數和用戶數據大量增長，越來越多的智能終端接入互聯網，2020年的數據流量將比2010年增長1000倍，而使用超密集異構網絡技術可以充分滿足大數據的業務需求。

超密集異構網絡技術通過在宏站覆蓋區內增加站點10倍以上的無線節點，拉近終端與節點間距離，使功率效率和頻譜效率提高并擴大系統容量，從而為更多的用戶提供更穩定的服務。雖然超密集異構網絡技術在5G中具有較大的運用空間，但我們已知5G網絡通信并不是一種全新的無線接入技術，而是在原有4G,3G等無線接入技術演進的基礎上，增加一些新的無線接入技術，因此，由于節點間距的縮短，密集的網絡部署會產生共享頻譜資源干擾，不同覆蓋層次間的干擾等。同時，無線節點的增多也會增加超密集異構網絡部署的難度和成本。

（2）自組織網絡技術

在傳統的通信網絡中，網絡連接通常有固定的網絡設備如基地站的支持，需要大量的人力與物力投入，迫使運營商投入大量建設成本和運營成本。而自組織網絡不需要固定設備支持，其移動終端仍可以通過無線連接進行通信或者作為單獨的網絡獨立工作。

自組織網絡技術無需基礎設施的特點，有助于大幅削減5G網絡的商用成本，快速擴大5G網絡的覆蓋率，并使移動終端客戶節約使用成本，提高用戶交互體驗的滿意度提供了可能。

（3）D2D通信

D2D（Device-to-Device）通信是一種在蜂窩系統的基礎上，允許終端之間不經網絡中轉直接進行通信的近距離數據傳輸技術，它能夠增加蜂窩通信系統頻譜效率，降低終端發射功率，提高系統性能并帶來更豐富的通信模式以提升用戶體驗。因此，D2D通信多運用于應急通信、物聯網增強、室內定位等方面，如此廣闊的市場前景，使D2D通信在5G網絡的演進中受到廣泛關注。

與此同時，D2D通信的實現仍需要考慮一些問題，例如，一旦終端用戶之間的距離過遠，則無法實現直接通信，又或者如何進行蜂窩模式和D2D模式的切換以最大程度的發揮無通信系統的全部性能。不僅如此，怎樣對D2D網絡進行功率控制和干擾協調也值得深入研究。

（4） M2M通信

5G移動通信系統是一個融合網絡，物聯網是其中的一個重要組成部分。顧名思義，物聯網就是物與物相連的互聯網，即在以互聯網為核心和基礎上擴展和延伸到物品和物品之間的信息交換和通信。物聯網的出現和演進是信息產業發展的第三次浪潮，物聯網技術已實現智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術的運用。

M2M通信作為物聯網的核心技術之一，是指在傳統的機器上通過安裝傳感器、控制器等來賦予機器以“智能”的屬性，從而實現機器與機器間的通信交流。目前我們所使用的移動支付、自動售貨、物流管理系統等，都是通過M2M通信技術實現的。科學技術的發展使機器在越來越多的領域取代人力資源，M2M通信使機器根據程序主動進行通信分析，數據做出選擇并完成指令。因此M2M作為機器之間一種智能化，交互式的通信，有助于取代人力操控實現智能管理和服務，使生產、生活、工作、學習更加方便。

2 5G網絡的發展趨勢

5G網絡憑借其超高的頻譜利用率和能效、傳輸速率和資源利用率，以及其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統安全和用戶體驗的顯著提高等特點，成為世界各國和通信巨頭爭相研發的對象。歐盟相繼啟動5G PPP和METIS等重大項目，投入研發經費超過14億歐元；韓國發布5G國家戰略，擬投入15億美元研發資金并計劃與2018年開展5G預商用試驗：日本成立了5G移動推進會（5GMF），計劃在2020東京奧運會前提供5G商用服務：美國4G Americas啟動5G研究，Verizon成立5G技術論壇。我國于2013年成立了面向5G網絡發展的IMT-2020推進組，將這一新一代移動通信技術列為國家科技重大專項，入選“863”計劃，并與歐美日韓5G推進組織簽署五方合作備忘錄MoU，力爭在2020年實現5G 商用。

5G移動通信的使用勢必會帶來通信領域的革新。5G網絡可以高速穩定的用于連續廣域覆蓋場景、熱點高容量場景、低功耗大連接場景和低時延高可靠場景等，加快研發步伐，盡快實現5G移動通信的商用，搶先占領國際市場成為我國信息技術產業與企業的發展方向。不僅如此，5G網絡的研發除了獲取商業利潤，其重要意義還在于取得國際通信領域的話語權和領導權，擴大我國移動通信的國際影響力，提高國家競爭的軟實力。

3 結束語

根據相關規劃，5G移動通信系統將在2020后全面投入商用，在滿足互聯網發展需求的同時提供了更優越的用戶體驗，提高了人們的生活質量。在生產等方面，5G網絡更是由于其功耗低的特點成為一種綠色智能，響應了可持續發展的口號。

目前，各國都在5G研發上投入巨大資金，力爭在該領域取得領先地位。本文從5G網絡研發的背景入手，介紹了5G移動通信技術的中的關鍵技術及其發展趨勢和前景，隨著相關技術的不斷發展成熟，期待5G網絡會在經濟、政治、軍事、教育、醫學等更多領域發揮其作用。

[1]張平，陶運錚，張治.5G若干關鍵技術評述，2016.

[2]尤肖虎，潘志文等.5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術.中國科學，2014.

[3]張勉.移動通信技術的發展歷史及趨勢.網絡與通信，2010.

[4]David Boswarthick M2M Communications:A Systems Approach，2013.