淺談5G通信技術(shù)

劉曉菲

摘 要：隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，每一次的更新變革都為我們的生活與工作帶來了巨大的促進。本文通過當前互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境對新一代移動通信技術(shù)的需求分析，介紹了 5G 移動通信技術(shù)現(xiàn)階段的成熟技術(shù)，并對5G 移動通信技術(shù)在未來的應(yīng)用進行了簡單推測。

關(guān)鍵詞：5G；移動通信技術(shù)

一、簡介

通信技術(shù)的變更日新月異，在4G通信技術(shù)發(fā)展地如火如荼的時候，5G已漸漸走進人們的視野。第五代移動電話行動通信標準，簡稱5G，也叫做第五代移動通信技術(shù)。

2013年5月13日，韓國三星電子有限公司宣布，已成功研發(fā)第5代移動通信的核心技術(shù)，可以在28GHz頻段以大于每秒1Gbps的速度傳輸數(shù)據(jù)，并且傳輸距離長達2公里。然而，目前使用的第四代長期演進（4GLTE）服務(wù)的傳輸速率僅為75Mbps。

現(xiàn)代移動通信技術(shù)自誕生起一直改變著我們的生活。從只能支持模擬語音信號通信的1G，到開啟數(shù)字蜂窩通信的2G，再到普及移動終端上網(wǎng)需求的3G，最后是現(xiàn)在，模糊了有線與無線傳輸邊界的4G時代。可以預(yù)計的是，到了5G時代，人與物都將成為互聯(lián)網(wǎng)矩陣中的上的一個節(jié)點，相互交換數(shù)據(jù)，合為一個大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。這將從根本上改變我們的生活方式，也將顛覆現(xiàn)階段的生產(chǎn)方式。

二、需求

移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展是 5G 移動通信的主要驅(qū)動力。移動互聯(lián)網(wǎng)將會超越固定互聯(lián)網(wǎng)成為用戶體驗的第一平臺， 現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的多數(shù)業(yè)務(wù)也將逐漸由固網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^無線方式提供服務(wù)，云計算及后臺服務(wù)的廣泛應(yīng)用將對 5G 移動通信系統(tǒng)提出更高的數(shù)據(jù)傳輸要求。而物聯(lián)網(wǎng)則要求5G 網(wǎng)絡(luò)提供海量的連接。所以當前5G 的主要技術(shù)正是對應(yīng)這兩大驅(qū)動力設(shè)計的。

三、技術(shù)

下面簡單闡述5G技術(shù)對移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)需求的回應(yīng)

（1）毫米波（millimeter waves）：現(xiàn)今的移動網(wǎng)絡(luò)大多工作在低頻段。低頻段優(yōu)點是傳播性能好，而缺點就是連續(xù)頻率資源有限，意味著對每個用戶而言可使用帶寬少，從而引發(fā)更慢的移動服務(wù)和更多的連接中斷。無線通信的最大信號帶寬大約是載波頻率的5%左右，因此載波頻率越大，可實現(xiàn)的信號帶寬也越大。在毫米波頻段中，60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則到了2GHz。相比而言，4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下，而可用頻譜帶寬只有100MHz。因此，如果使用毫米波頻段，頻譜帶寬和傳輸速率可以提升數(shù)倍。毫米波頻段的另一個特性是在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱。因此當5G無線信號在覆蓋室內(nèi)用戶的時候，可以有效避免信號干擾。

（2）小基站（small cells）：為了克服毫米波在空氣中衰減大，導(dǎo)致室外傳播性能差的特點，5G通信系統(tǒng)將使用小基站技術(shù)。這種小基站比傳統(tǒng)基站小很多，更易安裝，更少的電量運行需求，每隔250米設(shè)置一個。一個城市需要大量小基站組成密集網(wǎng)絡(luò)以保障不中斷的通信連接。這種密集部署方式可以使得同一頻率在同一地區(qū)相隔較遠的不同基站同時使用，也就意味著頻率重復(fù)利用率大幅度提高，有效地節(jié)省了頻段資源。

（3）大規(guī)模天線技術(shù)（massive MIMO）： 4G基站有十幾個天線端口用于處理所有移動流量。而5G基站則具有幾百個天線端口。這使得一個基站能夠同時向更多用戶發(fā)送和接受信號，從而大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量，并避免由深度衰落引起的時延。

（4）波束成形技術(shù)（Beamforming）：傳統(tǒng)通信方式是基站與終端間單天線到單天線的電磁波傳播，而在波束成形技術(shù)中，基站端配合大規(guī)模天線技術(shù)，可以自動調(diào)節(jié)各個天線發(fā)射信號的相位，使其在終端接收點形成電磁波的疊加，從而達到提高接收信號強度的目的。同時，大規(guī)模天線的基站還可以同時瞄準多個用戶，構(gòu)造朝向多個目標客戶的不同波束，并有效減小各個波束之間的干擾。這種多用戶的波束成形在空間上有效地分離了不同用戶間的電磁波，也避免了大規(guī)模天線信號的交匯干擾。

（5）全雙工模式技術(shù)：當前4G基站和手機的射頻收發(fā)器在同一頻率上必須交互發(fā)射或接受數(shù)據(jù)信號（TDD模式），或者是在不同頻率上同時發(fā)射和接受數(shù)據(jù)信號（FDD模式）。5G的射頻收發(fā)器則能夠在同一頻率上同時發(fā)射和接受數(shù)據(jù)信號，即全雙工模式。它將在最基本的物理層上使無線網(wǎng)絡(luò)容量增倍。

四、應(yīng)用

2016年3月，中國工信部表示：5G是新一代移動通信技術(shù)發(fā)展的主要方向，是未來新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。與4G相比，不僅將進一步提升用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗，同時還將滿足未來萬物互聯(lián)的應(yīng)用需求。

隨著以上技術(shù)的逐步投入應(yīng)用，5G將為無線通信帶來更快的下載速度，更強的室內(nèi)覆蓋能力，更大容量的應(yīng)用接入，更低延遲的用戶體驗。以下簡單介紹5G通信技術(shù)在不久未來的具體應(yīng)用。

（1）更快的傳輸速度。高速率的數(shù)據(jù)上傳下載將支持4k及以上級別的實時播放。大量的數(shù)據(jù)處理將在云端完成，作為終端的手機和平板，甚至個人電腦只需起到輸入輸出的作用，大大節(jié)省了資源。

（2）更強的室內(nèi)覆蓋能力和更大容量的應(yīng)用接入。極強的信號覆蓋能力將引發(fā)現(xiàn)有通信設(shè)備接入標準的質(zhì)變，終端接入容量的提升使得人與物、物與物的聯(lián)系變得更加容易。基于這兩點，可以預(yù)見物聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)快速的進步和爆發(fā)。

（3）更低延遲和更可靠的用戶體驗。5G將大大提升AR、VR等虛擬現(xiàn)實技術(shù)的用戶體驗，這會是對遠程醫(yī)療手術(shù)、自動駕駛、工業(yè)控制等技術(shù)的極大促進，相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)方式會有巨大改變。

五、結(jié)語

5G 移動通信發(fā)展是全球移動通信領(lǐng)域新一輪技術(shù)競爭的開始。歐盟已明確表示希望確立全球統(tǒng)一的5G技術(shù)標準，而不再是多種標準并存。5G技術(shù)與未來的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)，蘊含著巨大的經(jīng)濟和戰(zhàn)略利益，因此各國都希望能在技術(shù)標準上占據(jù)主導(dǎo)權(quán)，都早早進行了相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)和布局。力爭在未來 5G 技術(shù)與商業(yè)競爭中的獲得領(lǐng)先優(yōu)勢，更已成為我國信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展最為重要的任務(wù)之一。隨著研究的不斷深入，5G 關(guān)鍵技術(shù)已逐漸明確。期待在不久的將來，越來越多的生活和生產(chǎn)方式會因5G技術(shù)而發(fā)生翻天覆地的變化。

參考文獻：

[1]尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù).中國科學(xué)：信息科學(xué)，2014：44（5）.

[2]METIS.Mobile and wireless communications enablers for the 2020 information society.In：EU 7th FrameworkProgramme Project， https：//www.metis2020.com.