試論5G通信的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

連作雄

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試論5G通信的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

連作雄

廣東省電信工程有限公司，廣東 廣州 510440

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，5G移動(dòng)通信應(yīng)運(yùn)而生，將逐漸發(fā)展為未來(lái)新一代的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。然而，目前5G移動(dòng)通信還處在初期階段。因此，研究有關(guān)于5G 移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)已是目前的發(fā)展趨勢(shì)。

5G；通信；特點(diǎn)；關(guān)鍵技術(shù)

1 5G 技術(shù)的特點(diǎn)

（1）5G 技術(shù)最主要的特點(diǎn)是將更關(guān)注于用戶體驗(yàn)方面，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋功能。如果4G 技術(shù)與3G 技術(shù)相比最重大的突破是速度的話，那么5G技術(shù)與4G 技術(shù)相比最重大的突破就是更廣范圍無(wú)處不在的強(qiáng)大連接功能。使使用者無(wú)論身處何方，所用的是什么設(shè)備都可以迅速連接網(wǎng)絡(luò)。

（2）根據(jù)白皮書(shū)中的要求，5G 還將實(shí)現(xiàn)低功耗的優(yōu)點(diǎn)。眾所周知，4G盡管速度上比起3G 大幅度提升，但是對(duì)于手機(jī)電池的要求也大大增加。而目前不僅是手機(jī)可以連接上網(wǎng)，可佩戴式的智能手表，智能手環(huán)也開(kāi)始出現(xiàn)在人們的視野之中，而這些設(shè)備所重視的并不是傳輸速率，而是耗電量。低功耗特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)將會(huì)大大提升其他智能設(shè)備的研制與開(kāi)發(fā)。

（3）熱點(diǎn)高容量也是未來(lái)5G 技術(shù)發(fā)展的重要研究方向。該特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)將可成功消除4G 技術(shù)由于流量需求大時(shí)傳輸速率就會(huì)大幅度下降的缺點(diǎn)，同時(shí)，在人口密度大的地方運(yùn)用此技術(shù)也可以使傳輸速率平均分配，不會(huì)出現(xiàn)卡頓以及消息滯后的情況。

（4）5G 技術(shù)的低時(shí)延特點(diǎn)將針對(duì)于對(duì)時(shí)延性及可靠性要求高的工商業(yè)方面，目前世界上普遍對(duì)5G 低時(shí)延的認(rèn)識(shí)是其低延遲性達(dá)到1?ms 且穩(wěn)定度和可靠性超過(guò)99.999?%，每位用戶最小容量達(dá)到1?Gbps。

（5）更好的端到端性能。如何改善端到端性能也是5G 目前面臨的重要問(wèn)題，智能設(shè)備的某些程序由于需要一直不停的運(yùn)行，因此設(shè)備就會(huì)持續(xù)不斷地向搜索信息的服務(wù)器發(fā)送信息請(qǐng)求，確保時(shí)時(shí)保持連接。然而這樣就會(huì)使端到端性能變差，使得信息發(fā)送以及下載變得遲滯。

2 5G 通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大規(guī)模MIMO 技術(shù)

大規(guī)模MIMO 技術(shù)是5G 最關(guān)鍵的技術(shù)之一，更是提升頻譜效率最重要的技術(shù)之一。所謂大規(guī)模MIMO 技術(shù)也稱(chēng)為大型天線系統(tǒng)，是在4G 基礎(chǔ)上由最多8 根天線達(dá)到最多數(shù)百至數(shù)千根服務(wù)天線的使用，該技術(shù)的改革可使該基站的多個(gè)用戶實(shí)現(xiàn)同時(shí)即時(shí)通信。額外的天線有助于把信號(hào)能量傳輸和接收整合到一個(gè)很小的空間，這使得在同時(shí)調(diào)度大量用戶終端時(shí)獲得了巨大的吞吐量和能源效率的改善。大規(guī)模MIMO 技術(shù)最初的設(shè)想是時(shí)分雙工（TDD）的操作，但也可以被應(yīng)用在頻分雙工（FDD）操作。大規(guī)模MIMO 技術(shù)的其他優(yōu)點(diǎn)包括其使用的元件廉價(jià)且低功耗，可以減少延遲以及被用戶所廣泛使用，大規(guī)模MIMO 技術(shù)使得許多傳統(tǒng)研究的問(wèn)題獲得了解決，并且對(duì)于信息方向有了全新的進(jìn)展以及研究方向。同時(shí)，在大規(guī)模MIMO 技術(shù)上，也有了一些新的研究問(wèn)題迫切的需要關(guān)注。例如，如何將大量低成本低精度的部件有效地結(jié)合在一起，終端如何分配新加入的資源，怎樣開(kāi)發(fā)額外的天線用來(lái)提供服務(wù)以及如何降低內(nèi)部功耗達(dá)到總能源效率的降低等等。目前，我國(guó)的大唐、華為、中興都已經(jīng)完成了有關(guān)大規(guī)模MIMO 技術(shù)的測(cè)試。其中，大唐的原型是工作在3.5?GHz，帶寬是100?MHz 電線，天線數(shù)是256，用戶數(shù)是10個(gè)。基于最終的測(cè)試結(jié)果，其峰值傳輸速率達(dá)到4?Gbps，相比于雙流提高了8 倍。得到了相當(dāng)高的提升。這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)測(cè)試的成功使得2020 年5G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)大范圍的使用成為了可能。

2.2 毫米波通信技術(shù)

毫米波的理論和技術(shù)分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展[1]。目前，世界上現(xiàn)在所用的頻段資源是非常稀缺的，所用的無(wú)線電信系統(tǒng)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(kāi)發(fā)利用，因此5G 將在9.9～86?GHz上展開(kāi)全新ＲAT技術(shù)研究，以LTE 技術(shù)為基礎(chǔ)用來(lái)做網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋的研究，9.9～86?GHz 主要用來(lái)做超密集網(wǎng)絡(luò)（UDN），所以UDN 層和LTE 層將會(huì)是重疊覆蓋，并且互操作耦合。隨著基站天線規(guī)模的增加，能夠在有限的空間內(nèi)部署更多天線也要求通信的波長(zhǎng)不能太長(zhǎng)。

目前，中國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室通過(guò)在毫米波波段上使用大規(guī)模MIMO 技術(shù)（多輸入多輸出技術(shù)），實(shí)現(xiàn)了顯著的容量改善及相關(guān)效率的提升。通過(guò)峰值傳輸速率超過(guò)50?Gbps 的原型機(jī)，貝爾實(shí)驗(yàn)室中國(guó)在28?GHz毫米波頻段上成功實(shí)現(xiàn)了高達(dá)100?bps/Hz的頻譜效率，其傳輸速率可以讓用戶使用網(wǎng)絡(luò)下載變得更為快捷，可以實(shí)現(xiàn)僅僅幾秒鐘達(dá)到幾百兆的數(shù)據(jù)傳輸。毫米波通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使得為未來(lái)實(shí)現(xiàn)可觸式互聯(lián)網(wǎng)、低時(shí)延性的虛擬現(xiàn)實(shí)以及3D 等未來(lái)應(yīng)用的研究提供了新的發(fā)展方向[2]。

2.3 D2D 通信技術(shù)

在5G 技術(shù)中，D2D 通信簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是設(shè)備間的通信，其目的在于提高用戶體驗(yàn)以及提升用戶的使用質(zhì)量。其最早提出是用來(lái)解決蜂窩網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸所造成的流量大幅度增長(zhǎng)的問(wèn)題。從2013 年起，由于5G 的興起，世界開(kāi)始著重對(duì)D2D 通信技術(shù)進(jìn)行了研討，現(xiàn)在，D2D 技術(shù)已經(jīng)成為了4G、5G 的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，D2D 技術(shù)的發(fā)展也從初期的用基站協(xié)調(diào)來(lái)從而建立D2D 通信到如今已經(jīng)發(fā)展成可以由基站協(xié)調(diào)或者基站完全不參與的情況。國(guó)內(nèi)外很多研究者也開(kāi)始研究如何利用D2D 設(shè)備作為中繼，使不在基站覆蓋范圍內(nèi)的設(shè)備也可以直接接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)。相比于藍(lán)牙和Wi-Fi 等技術(shù)，D2D通信的優(yōu)勢(shì)是其工作在蜂窩系統(tǒng)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(yàn)質(zhì)量。同時(shí)D2D 通信也可以實(shí)現(xiàn)高于其他傳輸設(shè)備的傳輸速率以及相對(duì)較低的時(shí)延性，D2D 通信相比耗電較大的Wi-Fi也具有較低的功耗這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)網(wǎng)絡(luò)相比更難調(diào)度，也更為復(fù)雜，這是目前亟待解決的問(wèn)題。

相比于藍(lán)牙，D2D 通信距離更長(zhǎng)、更穩(wěn)定。而藍(lán)牙不僅需要用戶手動(dòng)設(shè)置終端配對(duì)密鑰，同時(shí)藍(lán)牙工作的頻段是非授權(quán)頻段，通信質(zhì)量不高也不穩(wěn)定，因此，可想而知D2D 通信技術(shù)將會(huì)在5G 時(shí)代占據(jù)十分重要的角色，為大量終端建立大規(guī)模的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及多種通信業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供實(shí)際的支持。

3 結(jié)束語(yǔ)

在4G 技術(shù)還未全面普及的今天，5G 的關(guān)鍵技術(shù)大規(guī)模MIMO 技術(shù)、毫米波通信技術(shù)以及D2D 通信技已經(jīng)在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，同時(shí)所得到的結(jié)果也符合預(yù)期，這充分表明了移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展之迅速。盡管5G 的標(biāo)準(zhǔn)還未真正形成，但是作為電信相關(guān)的學(xué)生，應(yīng)該跟隨通信方面的大方向，在2020年5G 正式進(jìn)入公眾視野之前便對(duì)其有一定的了解。5G 一定會(huì)依據(jù)其高速率低功耗以及穩(wěn)定性占據(jù)全球的通信方式，因此，應(yīng)全力推動(dòng)有關(guān)于5G 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，并對(duì)其今后的推廣與實(shí)行進(jìn)行更深入的研究。

[1]朱偉文.5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用研究[J].建材與裝飾，2016（31）：63.

[2]丁濤.5G 時(shí)代傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)策略探討[J].移動(dòng)通信，2016，40（15）：89-90.

Discussion on the characteristics and key technologies of 5G communication

Lianzuoxiong

Guangdong Telecom Engineering Co., Ltd., Guangdong 510440, China,

with the rapid development of mobile Internet, 5G mobile communication came into being, will gradually develop into the mobile communication network system in the future. However, a new generation of 5G mobile communication is still in its early stages. Therefore, research on key technology of 5G mobile communication is the trend of development at present.

5G; communication; characteristic; key technology

TN929.5

A

1009-6434（2017）01-0058-02