5G移動通信的關鍵技術解析

張春遠

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5G移動通信的關鍵技術解析

張春遠

廣東海格怡創科技有限公司，廣東 廣州 510000

5G是指移動電話應用的第五代通信技術，是基于4G網絡技術開發的新技術。現階段，移動通信已由最初的通信速度低、安全性不高，發展成為通信效果好、保密程度高，能夠傳輸清晰圖像和高清視頻的成熟技術。如今，世界各國均開始進行5G通信技術的研究，為開發新技術做好準備。基于此，就5G移動通信的關鍵技術進行了探討。

5G；移動通信；關鍵技術

1 5G移動通信技術的特征

1.1 頻譜利用率高

高頻段頻譜資源在5G通信技術中已被廣泛應用。在目前的科技水平條件下，高頻段無線電波利用率比較低，穿透能力差，使用上有不少限制；而未來對頻譜的利用率提升，與光載無線組網、有線和無線寬帶技術的融合，能夠給5G通信技術帶來廣泛的應用前景。

1.2 系統性能強

5G移動通信技術將更加多點、多天線、多用戶、多社區的相互協同、相互組網作為重點，大幅提高了通信系統的性能。室內通信業務是通信的主要業務，5G移動通信系統也以室內無線網絡覆蓋性能和業務支撐進行擴展，實現移動通信系統的廣域覆蓋[1]。

1.3 雙向信號傳遞

5G采取雙向傳遞無線電波。打電話時，電話將聲音轉換成電子信號，傳輸電子信號到最近的無線電波接收信號塔。小區發射塔通過信號塔網絡反射信號，實現呼叫連接。由于無線電波震動頻率更快，5G將利用更先進的技術，配置高頻率、大容量和密集的信號接收點，使5G網絡的下載速度達到10?Gbit/s，比4G速度快100倍。

1.4 功耗成本雙低

未來對5G通信系統的研究將會著重在無線網絡的“軟”配置設計上，運營商可以根據業務流量的變化對網絡資源進行及時調整，實現能耗和成本的雙低。

2 5G移動通信的關鍵技術

2.1 大規模MIMO技術

大規模MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出）技術是5G最關鍵的技術之一，更是提升頻譜效率最重要的技術之一。大規模MIMO技術也被稱為大型天線系統，是在4G基礎上由最多8根天線達到數百至數千根天線的使用，該技術的改革可使該基站的多個用戶實現同時、即時通信。額外的天線有助于把信號能量的傳輸接收、整合到一個很小的空間，這使得在調度大量用戶終端時獲得了巨大的吞吐量和更高的能源效率。大規模MIMO技術最初的設想是應用在時分雙工（TDD）操作中，但也可以應用在頻分雙工（FDD）操作中。大規模MIMO技術的其他優點包括使用的元件廉價且功耗低，可以被用戶廣泛使用。大規模MIMO技術雖然使許多傳統問題得到了解決，但也出現一些新的問題需要關注。例如，如何將大量低成本、低精度的部件有效地結合在一起；終端如何分配新加入的資源；怎樣開發額外的天線用來提供服務；如何降低內部功耗達到總能源效率的降低。

目前，大唐、華為、中興都已完成了有關大規模MIMO技術的測試。其中，大唐的原型機工作在3.5GHz條件下，帶寬是100?MHz，天線數是256，用戶數是10。基于最終的測試結果，其峰值傳輸速率達到4?Gb/s，較雙流提高了8倍，得到了相當大的提升。這項技術的測試成功使5G技術在2020年實現大范圍的使用成為了可能[2]。

2.2 毫米波通信技術

毫米波的理論和技術分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發展。目前，世界上所用的頻段資源是非常稀缺的。所用的無線電信系統頻譜都在6?GHz以下，而處在毫米波頻段上（3～60?GHz）的資源卻非常豐富，尚未被充分開發利用，因此5G將在9.9～86?GHz上展開全新RAT技術研究。以LTE技術為基礎用于網絡廣域覆蓋的研究，9.9～86?GHz主要用于超密集網絡（UDN），所以UDN層和LTE層將會重疊覆蓋，并且互操作耦合。隨著基站天線規模的增加，要在有限的空間內部署更多天線，也要求通信的波長不能太長。

目前，貝爾實驗室（中國）通過在毫米波波段上使用大規模MIMO技術，實現了顯著的容量改善及相關效率的提升。通過使用峰值傳輸速率超過50?Gb/s的原型機，貝爾實驗室（中國）在28?GHz毫米波頻段上成功實現了高達100?bps/Hz的頻譜效率，其傳輸速率可以讓網絡下載速度更快，可以實現僅僅幾秒鐘就達到幾百兆的數據傳輸。毫米波通信技術為未來實現可觸式互聯網、低時延性的虛擬現實以及3D等未來應用的研究提供了新的發展方向。

2.3 D2D通信技術

D2D通信簡單來說就是設備間的通信，其目的在于提高用戶體驗以及提升用戶的使用質量。其最早是用來解決蜂窩網絡中數據傳輸造成的流量大幅度增長的問題。從2013年起，世界著重對D2D通信技術進行了研討。現在，D2D技術已經成為了4G、5G的關鍵技術之一。目前，D2D技術也由初期的通過基站協調建立D2D通信，發展成可以由基站協調或者基站完全不參與的情況。國內外很多研究者也開始研究如何利用D2D設備作為中繼，使不在基站覆蓋范圍內的設備也可以直接接入蜂窩網絡。相比于藍牙和Wi-Fi等技術，D2D通信的優勢是其工作在蜂窩系統的頻段，即使通信雙方增加了通信距離后仍能保證用戶體驗質量。同時D2D通信也可以實現高于其他傳輸設備的傳輸速率，以及相對較低的時延性。D2D通信相比耗電較大的Wi-Fi也具有較低的功耗這個優點。目前，D2D通信主要采取廣播、多播、單播三種形式，因此其與蜂窩移動網絡相比更難調度，也更為復雜。這是目前亟待解決的問題。

相比于藍牙，D2D通信距離更長、更穩定。而藍牙不僅需要用戶手動設置終端配對密鑰，而且工作的頻段是非授權頻段，通信質量不高，也不穩定。可想而知，D2D通信技術將會在5G時代占據十分重要的角色，為大量終端建立大規模的移動網絡，為多種通信業務的實現提供支持。

3 結束語

移動通信不只能實現人與人之間的傳遞，也可以完成物與物之間的互聯，滿足人和物通信方面的需求。考慮到未來更多的通信需求，研究者開始進行5G通信技術的開發。本文以5G移動通信技術為視角，闡述了5G的關鍵技術，以期促進移動通信事業的發展。

[1]楊興華.5G移動通信技術發展探析[J].科技展望，2016，26（17）：5.

[2]張昌勇.4G到5G——淺析移動通信技術的發展前景[J].現代營銷，2016，17（5）：192.

Analysis of Key Technologies of 5G Mobile Communication

Zhang Chunyuan

Guangdong Hai Ge Yi Chuang Technology Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510000

5G refers to the fifth generation communication technology of mobile phone application, and is a new technology based on 4G network technology. At this stage, mobile communication from the initial low communication speed, security is not high, developed into a good communication effect, high degree of confidentiality, able to transmit clear images, high-definition video mature technology. Today, countries around the world are working on 5G communications technology to prepare for the development of new technologies. Based on this, the key technology of 5G mobile communication is discussed.

5G; mobile communication; key technology

TN929.5

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1009-6434（2017）02-0005-02