淺析5G移動通信系統(tǒng)

摘 要：第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)在移動數(shù)據(jù)爆炸式增長的背景下應(yīng)運而生。目前，5G的發(fā)展需求已經(jīng)明確，下一步發(fā)展和研究的重點將在如何利用現(xiàn)有技術(shù)和潛在的多種新技術(shù)融合以實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)。關(guān)于5G的六大關(guān)鍵技術(shù)，高頻段傳輸技術(shù)，大規(guī)模MIMO技術(shù)，NOMA技術(shù)（非正交多址接入技術(shù)），D2D通信技術(shù)，超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，情感認知技術(shù)，淺析了每種技術(shù)的基本概念，以及應(yīng)用到5G網(wǎng)絡(luò)時的潛在問題。

關(guān)鍵詞：5G 發(fā)展趨勢 關(guān)鍵技術(shù)

美國時間2016年11月，在剛剛結(jié)束的第三屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會上，中國華為公司的Polar Code（極化碼）被確定為5G控制信道編碼方案。極化碼的被認可標志著中國在移動通信領(lǐng)域從追趕到引領(lǐng)的突破，也提示著觸手可及的5G時代將普及在不遠的將來。5G時代的到來可以說是移動通信發(fā)展的必然，也是3G、4G技術(shù)發(fā)展下的一種演進，在信息化的大潮流中能夠拔得5G通信的頭籌，必然會有更高、更快的發(fā)展。據(jù)外媒的最新消息，美國AT&T將在今年部署5G網(wǎng)絡(luò)，部分地區(qū)實現(xiàn)1Gbps的網(wǎng)速。

1、5G是什么？

我們能感受到的5G，是更快的速率。如果將4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率比作慢吞吞行走的烏龜，那么5G就是跳躍的兔子了。4G已被譽為機器之間的“高速對話”傳輸信息的速率高達100Mbps以上，能夠?qū)崿F(xiàn)高速傳遞文件，圖片和視頻。而5G作為移動通信技術(shù)新的發(fā)展方向，將擁有更高的網(wǎng)速及帶寬，預(yù)計將達到4G傳輸速率的10倍左右。

IMT-2020（5G）的技術(shù)要求：

-用戶體驗速率達1-10Gbps（非理論速率）

-1毫秒級的端到端時延

-1000倍帶寬（每單位區(qū)域）

-10-100倍設(shè)備連接數(shù)量

-99.999%有效性（用戶感知）

-100%覆蓋（用戶感知）

-減少90%網(wǎng)絡(luò)能耗

-低能耗機對機通信設(shè)備電池壽命可達10年

5G通信具有高速性和先進性。5G網(wǎng)絡(luò)可以在1平方千米內(nèi)為超過100萬臺的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供100Mbps以上的平均數(shù)據(jù)傳輸速率，將為用戶帶來更高的安全性和更短的時延，并且在人工智能服務(wù)、智慧城市以及工業(yè)自動化方面會有更大的突破。5G的普及，將成為連接萬物的重要渠道，實現(xiàn)全方位、多視野、智能化、多元化通信，給用戶帶來耳目一新的感受，就好比虛擬現(xiàn)實、云端辦公、智能家居、移動終端等等。

任何一個新的突破都是技術(shù)的創(chuàng)新、實現(xiàn)和發(fā)展帶來的，5G雖然可以稱作是3G、4G網(wǎng)絡(luò)的一種演進，但實現(xiàn)它們的技術(shù)原理和部署方法都是不同的。因此，5G網(wǎng)絡(luò)也可以稱作是一種全新的技術(shù)。我國成立IMT-2020（5G）推進組將研發(fā)5G的過程分為5G關(guān)鍵技術(shù)試驗、5G技術(shù)方案驗證和5G系統(tǒng)驗證三個階段，用于商用和產(chǎn)品研發(fā)預(yù)計在2018年到2020年進行，但5G與各個領(lǐng)域的滲透和深度融合是不言而喻的。

2、5G通信中用到的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高頻段傳輸技術(shù)

為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)的大容量和高傳輸速率，增加帶寬是最有效最直接的辦法。現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀下，60GHz以下的頻譜資源擁擠，而高頻段6GHz以上頻譜資源豐富，因此高頻段傳輸技術(shù)成為5G通信的必然選擇。

2.2 毫米波通信——開發(fā)高頻段

毫米波（mmWave），頻率30—300GHz，波長1—10mm。可用頻帶資源廣，提供較高的帶寬，且波束集中，方向性好，可連接大量的設(shè)備，提高能效。據(jù)預(yù)測，未來毫米波通信的傳輸速率可高于光纖通信。

2.3 大規(guī)模MIMO技術(shù)

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動通信和無線通信等領(lǐng)域。通常解釋為為網(wǎng)絡(luò)資源經(jīng)過多重切割，由多重天線進行同步傳送，可以提高信道容量，傳輸效率和信道可靠性。在移動通信領(lǐng)域仍面臨很多的挑戰(zhàn)，由于移動終端設(shè)備都具有體積小、重量輕和耗電低等特點，并且當移動臺移動速度過快時，使得快速信道估計成為研究的主要內(nèi)容。但MIMO技術(shù)適用于傳統(tǒng)蜂窩移動通信區(qū)以及高用戶密度區(qū)，為高頻段移動通信技術(shù)提供了廣闊的前景。大規(guī)模MIMO技術(shù)（3D-MIMO技術(shù)）在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上增加了垂直維度，使得波束實現(xiàn)空間復(fù)用和空間分集，避免了波束之間的相互干擾。

2.4 NOMA技術(shù)（非正交多址接入技術(shù)）

第四代移動通信網(wǎng)絡(luò)（4G）采用正交頻分多址（OFDM）技術(shù)，和MIMO技術(shù)相結(jié)合，不但克服了多徑干擾的問題，而且使其數(shù)據(jù)速率高達20Mbps甚至100Mbps。而面向5G將高于4G傳輸速率10倍左右的需求，利用功率復(fù)用的多址接入技術(shù)，即非正交多址接入技術(shù)，有更加明顯的性能優(yōu)勢。功率復(fù)用的目的是利用每個用戶不同的路徑損耗差異實現(xiàn)多用戶復(fù)用。目前NOMA技術(shù)已經(jīng)被研究證實可以使無線接入宏蜂窩區(qū)域的總吞吐量提高50%左右。

同時，NOMA技術(shù)還具有不需知道每個信道SCI的優(yōu)點，這使得它可以滿足即使在移動臺高速移動的狀態(tài)下，仍然能獲得更好的性能。實現(xiàn)NOMA技術(shù)需要在接受端引入串行干擾刪除（SIC）實現(xiàn)功率復(fù)用時的多用戶檢測，對每個用戶進行判決，逐級消除多址干擾。

2.5 D2D通信技術(shù)

D2D通信技術(shù)是指在蜂窩系統(tǒng)下能夠?qū)崿F(xiàn)兩個對等用戶節(jié)點近距離直接傳送數(shù)據(jù)的一種通信方式。5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，不僅要求數(shù)據(jù)傳送速率快，信道容量大，更加豐富的終端用戶體驗，也將成為5G發(fā)展的主要趨勢。因此，設(shè)備到設(shè)備通信（D2D）將成為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。

D2D通信在傳送數(shù)據(jù)時，具有不借助基站自動路由（轉(zhuǎn)發(fā)消息）的功能，這樣能很大地降低基站負擔，縮小傳輸時延，從而提高頻譜效率，減小終端的發(fā)射功率。但D2D在帶來多方面的好處的同時，技術(shù)問題上仍存在著很大的挑戰(zhàn)。比如當終端用戶之間的距離不能保證近距離通信時，如何進行蜂窩通信技術(shù)和D2D通信技術(shù)的最優(yōu)選擇問題是值得考慮和解決的。

2.6 超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容量大幅增長的需求，立體分層網(wǎng)絡(luò)（Hetnet）的密度只會大量增加，才能使更多的物與物連入網(wǎng)絡(luò)。5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的前期工作已經(jīng)給出了“三朵云”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對于網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)容量的單獨化和優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)由于業(yè)務(wù)需求的靈活性控制承載分離，從而擴展控制面板和數(shù)據(jù)面的資源。并且，超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對基站無線控制功能部分實現(xiàn)抽離和分簇化的集中式管理，從而使簇內(nèi)的小區(qū)間干擾得以協(xié)調(diào)，提高網(wǎng)絡(luò)容量，給用戶帶來更豐富的業(yè)務(wù)體驗。

2.7 情感認知技術(shù)

未來5G的發(fā)展趨勢，將不僅僅承載著人與人的連接，人與物、物與物的連接同樣是現(xiàn)代移動通信技術(shù)5G個性化，智能化的發(fā)展方向。及時化，個性化，前瞻性和適應(yīng)性是情感認知技術(shù)的最大特點，通過移動設(shè)備的分析和推理，自動為用戶提供可靠適合的選擇。情感認知技術(shù)將積極響應(yīng)現(xiàn)代移動通信的智能化業(yè)務(wù)需求。

3、結(jié)束語

5G的誕生將滿足現(xiàn)代社會對高質(zhì)量高速率生活的需求，也將成為繼3G，4G后的又一次革命性創(chuàng)新，實現(xiàn)全方位、多視野、智能化、多元化通信。本文淺析了新一代移動通信5G的發(fā)展趨勢和無線網(wǎng)絡(luò)方面的六大關(guān)鍵技術(shù)。5G通信的高頻段資源占用方面和情感認知智能化自感知能力的深入研究將成為5G網(wǎng)絡(luò)不可或缺的特性之一。

參考文獻：

[1]趙國鋒等.5G移動通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].重慶郵電大學大學學報，2015年，27（4）：441-452

[2]宏光通信.解讀5G八大關(guān)鍵技術(shù)[EB/OL].

http：// gh_7095818ff0ea.html，2016年9月2日/2016年10月3日

作者簡介：

劉佳彤（1995—12月—08日）女，漢族，河南南陽人，鄭州大學信息工程學院，2014級本科生，電子信息工程專業(yè)。