試論5G通信的特點及關鍵技術

連作雄

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試論5G通信的特點及關鍵技術

連作雄

廣東省電信工程有限公司，廣東 廣州 510440

隨著移動互聯網的快速發展，5G移動通信應運而生，將逐漸發展為未來新一代的移動通信網絡系統。然而，目前5G移動通信還處在初期階段。因此，研究有關于5G 移動通信的關鍵技術已是目前的發展趨勢。

5G；通信；特點；關鍵技術

1 5G 技術的特點

（1）5G 技術最主要的特點是將更關注于用戶體驗方面，實現網絡的廣域覆蓋功能。如果4G 技術與3G 技術相比最重大的突破是速度的話，那么5G技術與4G 技術相比最重大的突破就是更廣范圍無處不在的強大連接功能。使使用者無論身處何方，所用的是什么設備都可以迅速連接網絡。

（2）根據白皮書中的要求，5G 還將實現低功耗的優點。眾所周知，4G盡管速度上比起3G 大幅度提升，但是對于手機電池的要求也大大增加。而目前不僅是手機可以連接上網，可佩戴式的智能手表，智能手環也開始出現在人們的視野之中，而這些設備所重視的并不是傳輸速率，而是耗電量。低功耗特點的實現將會大大提升其他智能設備的研制與開發。

（3）熱點高容量也是未來5G 技術發展的重要研究方向。該特點的實現將可成功消除4G 技術由于流量需求大時傳輸速率就會大幅度下降的缺點，同時，在人口密度大的地方運用此技術也可以使傳輸速率平均分配，不會出現卡頓以及消息滯后的情況。

（4）5G 技術的低時延特點將針對于對時延性及可靠性要求高的工商業方面，目前世界上普遍對5G 低時延的認識是其低延遲性達到1?ms 且穩定度和可靠性超過99.999?%，每位用戶最小容量達到1?Gbps。

（5）更好的端到端性能。如何改善端到端性能也是5G 目前面臨的重要問題，智能設備的某些程序由于需要一直不停的運行，因此設備就會持續不斷地向搜索信息的服務器發送信息請求，確保時時保持連接。然而這樣就會使端到端性能變差，使得信息發送以及下載變得遲滯。

2 5G 通信網絡的關鍵技術

2.1 大規模MIMO 技術

大規模MIMO 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。所謂大規模MIMO 技術也稱為大型天線系統，是在4G 基礎上由最多8 根天線達到最多數百至數千根服務天線的使用，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傳輸和接收整合到一個很小的空間，這使得在同時調度大量用戶終端時獲得了巨大的吞吐量和能源效率的改善。大規模MIMO 技術最初的設想是時分雙工（TDD）的操作，但也可以被應用在頻分雙工（FDD）操作。大規模MIMO 技術的其他優點包括其使用的元件廉價且低功耗，可以減少延遲以及被用戶所廣泛使用，大規模MIMO 技術使得許多傳統研究的問題獲得了解決，并且對于信息方向有了全新的進展以及研究方向。同時，在大規模MIMO 技術上，也有了一些新的研究問題迫切的需要關注。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以及如何降低內部功耗達到總能源效率的降低等等。目前，我國的大唐、華為、中興都已經完成了有關大規模MIMO 技術的測試。其中，大唐的原型是工作在3.5?GHz，帶寬是100?MHz 電線，天線數是256，用戶數是10個。基于最終的測試結果，其峰值傳輸速率達到4?Gbps，相比于雙流提高了8 倍。得到了相當高的提升。這項技術在我國測試的成功使得2020 年5G 技術實現大范圍的使用成為了可能。

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[1]。目前，世界上現在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 技術為基礎用來做網絡廣域覆蓋的研究，9.9～86?GHz 主要用來做超密集網絡（UDN），所以UDN 層和LTE 層將會是重疊覆蓋，并且互操作耦合。隨著基站天線規模的增加，能夠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，中國貝爾實驗室通過在毫米波波段上使用大規模MIMO 技術（多輸入多輸出技術），實現了顯著的容量改善及相關效率的提升。通過峰值傳輸速率超過50?Gbps 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，其傳輸速率可以讓用戶使用網絡下載變得更為快捷，可以實現僅僅幾秒鐘達到幾百兆的數據傳輸。毫米波通信技術的實現使得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]。

2.3 D2D 通信技術

在5G 技術中，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。其最早提出是用來解決蜂窩網絡中數據傳輸所造成的流量大幅度增長的問題。從2013 年起，由于5G 的興起，世界開始著重對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 技術的發展也從初期的用基站協調來從而建立D2D 通信到如今已經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，同時藍牙工作的頻段是非授權頻段，通信質量不高也不穩定，因此，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以及多種通信業務的實現提供實際的支持。

3 結束語

在4G 技術還未全面普及的今天，5G 的關鍵技術大規模MIMO 技術、毫米波通信技術以及D2D 通信技已經在實踐中得到了驗證，同時所得到的結果也符合預期，這充分表明了移動通信技術發展之迅速。盡管5G 的標準還未真正形成，但是作為電信相關的學生，應該跟隨通信方面的大方向，在2020年5G 正式進入公眾視野之前便對其有一定的了解。5G 一定會依據其高速率低功耗以及穩定性占據全球的通信方式，因此，應全力推動有關于5G 相關技術的發展，并對其今后的推廣與實行進行更深入的研究。

[1]朱偉文.5G 網絡通信技術的應用研究[J].建材與裝飾，2016（31）：63.

[2]丁濤.5G 時代傳輸網絡建設策略探討[J].移動通信，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

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1009-6434（2017）01-0058-02