5G移動通信的關鍵技術及發展

魏蓓蓓

摘要：第5代移動通信系統（5G）是面向2020年之后的新一代移動通信系統，其技術發展尚處于探索階段.結合國內外移動通信發展的最新趨勢，本文對5G移動通信發展的基本需求、技術特點與可能發展途徑進行了展望，并分無線傳輸和無線網絡兩個部分，重點論述了富有發展前景的7項5G移動通信關鍵技術，包括大規模天線陣列、基于濾波器組的多載波技術、全雙工復用、超密集網絡、自組織網絡、軟件定義網絡及內容分發網絡.本文還概括性地介紹了國內5G移動通信的相關研發活動及其近期發展目標.

關鍵詞：5G關鍵技術；發展趨勢

1概述與總體趨勢

5G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.根據移動通信的發展規律，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密切結合，構成新一代無所不在的移動信息網絡，滿足未來10年移動互聯網流量增加1000倍的發展需求.5G移動通信系統的應用領域也將進一步擴展，對海量傳感設備及機器與機器（M2M）通信的支撐能力將成為系統設計的重要指標之一.未來5G系統還須具備充分的靈活性，具有網絡自感知、自調整等智能化能力，以應對未來移動信息社會難以預計的快速變化。

5G已經成為國內外移動通信領域的研究熱點.2013年初歐盟在第7框架計劃啟動了面向5G研發的METIS（mobileandwirelesscommunicationsenablersforthe2020informationsociety）項目，由包括我國華為公司等29個參加方共同承擔；韓國和中國分別成立了5G技術論壇和IMT-2020（5G）推進組，我國863計劃也分別于2013年6月和2014年3月啟動了5G重大項目一期和二期研發課題.目前，世界各國正就5G的發展愿景、應用需求、候選頻段、關鍵技術指標及使能技術進行廣泛的研討，力求在2015年世界無線電大會前后達成共識，并于2016年后啟動有關標準化進程。移動互聯網的蓬勃發展是5G移動通信的主要驅動力.移動互聯網將是未來各種新興業務的基礎性業務平臺，現有固定互聯網的各種業務將越來越多地通過無線方式提供給用戶，云計算及后臺服務的廣泛應用將對5G移動通信系統提出更高的傳輸質量與系統容量要求.5G移動通信系統的主要發展目標將是與其他無線移動通信技術密切銜接，為移動互聯網的快速發展提供無所不在的基礎性業務能力.按照目前業界的初步估計，包括5G在內的未來無線移動網絡業務能力的提升將在3個維度上同時進行：通過引入新的無線傳輸技術將資源利用率在4G的基礎上提高10倍以上；通過引入新的體系結構（如超密集小區結構等）和更加深度的智能化能力將整個系統的吞吐率提高25倍左右；進一步挖掘新的頻率資源（如高頻段、毫米波與可見光等），使未來無線移動通信的頻率資源擴展4倍左右。

2、5G移動通信的關鍵技術

2.1無線傳輸技術

2.1.1大規模MIMO技術

在無線通信系統中，多天線技術可以顯著提高系統頻譜和傳輸可靠性。通過大量的發射和接收天線，MIMO信道的容量可以大量增長。因此，大幅度提高系統容量的有效途徑之一就是增加天線的數量。在大規模的MIMO中，大量的天線配制在基站中，同時大量的用戶可以被服務于同一時頻的資源上。天線的配制方式有兩種：大量集中放置于同一基站形成大規模集中式MIMO；分布放置于多個節點中形成大規模分布式MIMO。

2.1.2全雙工技術

全雙工通信技術是指在同時、同頻進行雙向通信的技術手段。目前的無線通信系統中，由于網絡側和終端側中存在著的固有發射信號對接收信號的自干擾，雙向線路是通過頻率或者時間進行區分，同時、同頻進行雙向通信技術還不夠完善，因此還不能實現同頻且同時的雙向通信。由此原因所致，現有的通信手段在無線資源上浪費巨大（相當于浪費50%的無線資源）。因此，同頻同時的全雙工技術是5G移動通信技術的無線傳輸技術中一個重要的研究方向。全雙工通信技術的優點在于可以減少無線資源的浪費，可實現更加靈活的頻譜使用。全雙工通信技術具有重要的研究意義。

2.2基于濾波器組的多載波技術

5G移動通信系統具有很高的數據速率，其可以達到1GHz的帶寬。目前通信系統所使用的OFDM技術雖然在對抗多徑衰落、頻譜效率方面有一定的優勢，但其對于無線傳輸系統大范圍帶寬中的一些空白頻譜的缺乏應用能力。而基于濾波器組的多載波技術可以有效地解決這一問題。在基于濾波器組的多載波技術中，發送端和接收端對于多載波的調制分別利用合成濾波器組和分析濾波器組。在基于濾波器組的多載波技術特點在于：各個子載波不再固定正交和插入前綴，而且各個子載波之間的干擾也通過控制而大量減少；各個子載波可以進行單獨的處理，避免了子載波同步的過程。因此，基于濾波器組的多載波技術是5G移動通信系統實現多載波方案的重要技術方法。

2.3超密集異構網絡技術

5G移動通信系統的正式使用不僅會誕生新型的無線傳輸技術，而且也會帶來之前舊的無線傳輸技術的改善。因此，5G移動通信系統是多種無線接入方式并存的新型通信系統。這些無線接人方式同時存在、同時被利用，便組成了多層覆蓋的多無線接人技術多層覆蓋異構網絡。而對于未來的無線網絡，在宏站的覆蓋區域內，各種無線傳輸技術的各類低功率節點的部署密度較現有站點的部署密度會有非常明顯的提升（提升數量大約10倍）、站點之間的距離較現有站點的距離會明顯的減小（站點距離可以縮短至10米甚至更短）、支持用戶的范圍明顯增加（每平方公里內可以擁有25000個用戶），甚至可以達到每一個用戶都可以對應擁有一個服務節點，形成超密集異構網絡。

結束語

綜上所述，在2G、3G以及4G移動通信技術已經取得突破性進步的今天，5G移動通信開始逐步走進人們的視線，其未來的發展趨勢和自身的關鍵技術也成為人們關注的重要內容。相對于之前的2G、3G以及4G移動通信技術，5G移動通信技術在具有傳輸速率更快、資源利用率更高、無線覆蓋率更廣以及用戶體驗性更強等一系列優點。因此，對于5G移動通信的關鍵技術要進行充分的探索和討論。