5G移動網絡前沿技術與發展前景

王 準

廣州工商學院，廣東 廣州 510850

5G移動網絡前沿技術與發展前景

王 準

廣州工商學院，廣東 廣州 510850

2017年9月，德國電信正式宣布聯合中國華為公司推出全球首個5G商用網絡，這也意味著5G網絡技術在全球第一個政府和企業推廣。5G即第五代移動通信系統，其技術正處在飛速發展階段，在全球各科研機構和高校得到了廣泛研究。基于此，對5G網絡前沿技術和未來發展前景進行了綜述。

5G；前沿技術；發展前景

1 5G網絡概述

世界通信技術先后經歷了1G、2G、3G、4G幾個重要時代，其特點如表1所示。在5G時代，移動網絡傳輸速率將是4G峰值的100倍，意味著一部高品質的電影1秒鐘就能夠完成下載。同時，5G網絡的功耗要比4G低，從而推動新的無線產品的誕生。在5G時代，用戶可以無縫、平滑地在任意空間過渡，省去了頻繁切換網絡和密碼輸入的麻煩，Wi-Fi很可能“消失”，同時萬物可以實現真正互聯，移動技術的優勢將向全新行業擴展，并創造出全新的商業模式。未來，每一件物體都有傳感器，利用5G實現數據交互，手機、人、機器、交通工具、家居用品甚至花草樹木等等都有獨立的IP，萬物皆可控、可交流、可定位，彼此協同工作，超越了時間和空間上的限制。

2 5G網絡關鍵技術

2.1 大規模MIMO技術

大規模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術，顧名思義就是將傳統MIMO的天線數增加。現有文獻的仿真大多采用100～256根天線，現有的原型機一般采用128根天線。關于天線數目增加后系統性能的討論其實很早有了。直到 2010 年底，貝爾實驗室的T. L. Marzetta在《無線通信》中提出了大規模多天線的理論。大規模MIMO技術由一些低功耗且價格并不昂貴的天線組件來實現，這就為在高頻段上的移動通信提供了廣闊的前景[1]。同時它擴大了網絡覆蓋范圍、擴展了系統容量，大大提升了無線頻譜效率，幫助運營商最大限度地利用已有的站址資源和頻譜資源。

表1 各移動通信技術特點

大規模MIMO技術為5G 系統帶來了一系列優點。相比于傳統的MIMO系統，大規模MIMO系統極大地提升了空間分辨率。大規模MIMO技術實現空間資源的深度挖掘，即使在沒有基站分裂的條件下。相比于單一天線系統，大規模MIMO技術能夠通過空域、時域、頻域、極化域等不同的維度提升能量利用效率和頻譜利用效率[2]。因此，大規模MIMO技術被認為是一種可以同時提升速率和系統容量，且能減少傳輸時延和能量消耗的可行性關鍵技術。在現今的實驗網絡中，常規的MIMO技術在日益增長的通信需求下將不再適應。5G大規模多天線技術方案將極大地增加基站天線數目，潛在大規模范圍陣列會達到 100×100甚至更大。

2.2 超密度異構網絡（Ultra-dense HeNets）

網絡中立體分層網絡（HetNet）是指，在宏蜂窩網絡層中布放大量微蜂窩（Microcell）、微微蜂窩（Picocell）、毫微微蜂窩（Femtocell）等接入點，來滿足數據容量增長要求。隨著5G時代的到來，萬物接入網絡，大大增加了HetNet的密度。

2020 年以后，移動數據流量將呈現爆炸式增長。未來 5G 網絡將減小小區半徑和增加低功率節點數量來保證 1 000 倍流量增長帶來的壓力。所以，超密集異構網絡將成為未來 5G 網絡提高數據流量的關鍵技術。密集部署的網絡使終端與節點間的距離大大拉近、網絡頻譜效率和功率大幅提高、網絡覆蓋范圍和系統容量擴大、不同接入技術和覆蓋層間的靈活性增強。

2.3 毫米波

毫米波是指波長在毫米數量級的電磁波，其工作在30～300 GHz之間。無線通信的最大信號帶寬約為載波頻率的5%左右，因此越高的載波頻率，可提供越大的信號帶寬。在毫米波頻段中，5G網絡可使用28 GHz頻段和60 GHz兩個頻段。28 GHz頻段可達1 GHz的可用頻譜帶寬，而60 GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則到了2 GHz，同時可分4個信道。相對來說，4G-LTE頻段只有2 GHz左右的最高頻率的載波，且頻譜帶寬只有100 MHz可用。因此，使用毫米波頻段可以輕松獲得10倍以上的頻譜帶寬，大大提高了傳輸速率。使用毫米波頻段使得手機在線觀看藍光品質電影變得更加輕松。

毫米波技術不太適合在室外手機終端和基站距離很遠的場合使用，因其在空氣中衰減非常大[3]。各大廠商對5G頻段使用的規劃是在戶外開闊地帶使用較傳統的6 GHz以下頻段以保證信號覆蓋率，而在室內則使用微型基站加上毫米波技術實現超高速數據傳輸，如圖2所示，毫米波必須配合微型基站使用。

2.4 多址接入

多址技術是每一代移動通信技術的關鍵特點之一。5G網絡除了對傳統的 OFDMA 技術支持外，還將提供對SCMA、NOMA、PDMA、MUSA 等多種新型多址技術的支持。這些多址技術通過多用戶的疊加傳輸，不但使用戶連接數得到提升，還有效增強了系統頻譜效率，同時還可以使系統時延大幅度降低。

圖2 毫米波工作示意圖

非正交多址接入技術（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）利用3G時代的非正交多用戶復用原理，并將之融合于現在的4G OFDM技術之中。非正交多址接入（NOMA）是基于功率域復用的新型多址方案，它增加了接收端的復雜度，來換取更高的頻譜效率。隨著未來設備計算能力的大幅度提升，該方案也具有相當的可行性。

3 5G網絡發展前景

面向 2020 年及以后，隨著超高清視頻、物聯網、增強現實、云計算、在線手游等業務的發展，未來的5G 網絡將提供比現有網絡高10倍以上的無線接入寬帶。在高鐵、飛機、公交等高速移動交通工具中，5G 網絡將提供比現有網絡更加穩定的移動性支持。5G網絡應能支持更低功耗，在智慧城市、智慧農業、環境監測等低功耗場合，成為綠色環保的移動通信網絡；在車聯網、虛擬現實、工業控制、可穿戴設備等低時延高可靠場合，成為高可靠性的移動通信網絡。

[1]趙國鋒，陳婧.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），2015，27（4）：441-452.

[2]尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術[J].中國科學：信息科學，2014，44（5）：551-563.

[3]張平，陶運錚，張治.5G若干關鍵技術評述[J].通信學報，2016，37（7）：15-29.

Frontier Technology and Development Prospect of 5G Mobile Network

Wang Zhun
Guangzhou Business College, Guangdong Guangzhou 510850

In September 2017, Deutsche Telekom officially announced that the joint Chinese HUAWEI company launched world’s first 5G commercial network. It also means that 5G network technology is the first government and enterprise promotion in the world. 5G is the fifth generation mobile communication system, and its technology is in the stage of rapid development, and its technology has been widely studied in the global scientific research institutions and colleges and universities. In this paper, the 5G network frontier technology and future prospects are reviewed.

5G; frontier technology; development prospect

TN929.5

A

1009-6434（2017）7-0029-02

王準（1983—），男，湖南長沙人，講師，網絡工程師，研究方向為云計算、網絡安全等。

2017年度廣州工商學院校級創新創業教育課程和應用型人才培養課程立項建設項目：樓宇智能化與綜合布線（NO.CX20170510）；2016年度廣州工商學院校級本科“質量工程”立項建設項目：基于校企協同育人的網絡工程專業應用型人才培養模式改革與創新（NO.ZL20161212）。