5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)分析與研究

劉成軍

摘要：當(dāng)下，移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷2G、3G與4G這幾個(gè)階段，正快速進(jìn)入5G時(shí)代。高速發(fā)展的電子信息技術(shù)持續(xù)推進(jìn)通信技術(shù)向前發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展速度越來越快，刺激整個(gè)市場，促進(jìn)消費(fèi)。所以探究5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)是近幾年最值得人們關(guān)注的課題。

關(guān)鍵詞：5G；移動(dòng)通信；網(wǎng)絡(luò)；技術(shù)

引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著移動(dòng)信息行業(yè)的不斷發(fā)展，通信行業(yè)日漸成為社會(huì)大眾日常生活不可或缺的生活保障要素。信息通信的穩(wěn)定性將會(huì)對(duì)整個(gè)社會(huì)的穩(wěn)定性產(chǎn)生積極影響。當(dāng)前，移動(dòng)通信不僅僅是局限于社會(huì)大眾之間的交流溝通，也體現(xiàn)在人與物之間的聯(lián)系。而隨著人們對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)需求量的增加，5G技術(shù)的未來發(fā)展面臨著運(yùn)營與技術(shù)的全新挑戰(zhàn)，因此，5G技術(shù)的未來發(fā)展成為了社會(huì)大眾的關(guān)注所在。

1、5G概述

5G是第五代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的代稱，它的誕生主要是為了滿足于二零二零年以后的人們?nèi)粘Ｍㄓ嵭枨蟆，F(xiàn)如今移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和速度的要求愈發(fā)提高。在這一背景下，5G產(chǎn)品所具備的低消耗、低成本、安全性高等特點(diǎn)必定會(huì)成為日后市場的主宰，它的數(shù)據(jù)傳輸速度會(huì)比現(xiàn)在的主流速度提升十到一百倍，峰值傳輸速率甚至能達(dá)到達(dá)到10Gbit/s，同時(shí)端到端時(shí)延縮小到ms級(jí)，流量密度提升一千倍，讓連接設(shè)備的密度增加十到一百倍，與此同時(shí)，頻譜效率上升五至十倍，在速度保證在500km/h的條件下也能最大限度的提供最好的用戶體驗(yàn)。5G的出現(xiàn)和推廣能使通信突破以往的固定模式，讓用戶體會(huì)到前所未有的使用體驗(yàn)；人與物、人與人之間的距離進(jìn)一步縮小，使得人與萬物的共聯(lián)時(shí)代大幕拉開。

2、5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

2.1自組織網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)部署、運(yùn)營及維護(hù)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，自組織網(wǎng)絡(luò)的智能化將成為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。這涉及到“自規(guī)劃和自配置”以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的“自優(yōu)化和自愈”。自規(guī)劃是滿足系統(tǒng)容量擴(kuò)展，業(yè)務(wù)監(jiān)測和結(jié)果優(yōu)化；自配置是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即插即用，自優(yōu)化是通過UE和eNB測量進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。自愈合是能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測、定位、排查故障。自組織的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有集中式、分布式、混合式三類。集中式架構(gòu)范圍廣、沖突小，但運(yùn)行速度慢、算法復(fù)雜度高。分布式基于SON分布實(shí)現(xiàn)，效率和響應(yīng)速度高但協(xié)調(diào)困難；混合式優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)效率和維護(hù)，但設(shè)計(jì)復(fù)雜。但目前的SON技術(shù)仍然有待改進(jìn)，上述的“自規(guī)劃和自配置”以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的“自優(yōu)化和自愈”之間具有獨(dú)立性和封閉性，缺乏協(xié)調(diào)合作，所以還有待繼續(xù)深入。

2.2超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于海聯(lián)的數(shù)據(jù)需求，未來的發(fā)展將隨著終端設(shè)備而不斷的多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向發(fā)展。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將是未來數(shù)據(jù)流量的關(guān)鍵。5G網(wǎng)絡(luò)將極大的減小小區(qū)半徑，增加低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)量，在宏站覆蓋區(qū)內(nèi)，站點(diǎn)間距離將保持10m以內(nèi)，用戶和站點(diǎn)數(shù)的比例將達(dá)到1：1，也就是用戶與服務(wù)節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。如此密集的網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。然而這也衍生出了新的問題，節(jié)點(diǎn)距離縮短引起更為密集的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，容易出現(xiàn)不兼容問題。而且通信干擾也是必須要解決的，現(xiàn)有的解決方法只能解決單個(gè)干擾源問題。5G網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點(diǎn)傳輸損耗差異不大，這要使得干擾源強(qiáng)度相近，協(xié)調(diào)算法難以應(yīng)對(duì)。大量節(jié)點(diǎn)的開啟和關(guān)閉具有突發(fā)性和隨機(jī)性，容易導(dǎo)致業(yè)務(wù)的空間和時(shí)間分布出現(xiàn)劇烈的動(dòng)態(tài)變化。

2.3云網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)調(diào)功能而不是架構(gòu)，高度重用商用云網(wǎng)絡(luò)，分離控制面、數(shù)據(jù)面以及管理面，支持不同網(wǎng)絡(luò)功能需求，靈活制造新虛擬網(wǎng)絡(luò)，支持新網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的核心理念是把網(wǎng)元軟件和硬件解耦，以通用硬件為基礎(chǔ)，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元功能，并把多種虛擬化的網(wǎng)元硬件歸成標(biāo)準(zhǔn)化通用IT設(shè)備，也就是高容量服務(wù)器與存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)交換機(jī)，提高系統(tǒng)靈活性與運(yùn)行維護(hù)效率，向現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)映射云中部署功能，發(fā)揮平滑演進(jìn)能力。

2.4大規(guī)模天線技術(shù)

大規(guī)模多天線其實(shí)是多入多出的一種通信系統(tǒng)，指的是基站配備比終端數(shù)目多的天線，在移動(dòng)終端使用單天線接收方式，保證高效利用頻譜效率，保證傳輸可靠性。增加天線數(shù)量，促使各個(gè)信道具備漸進(jìn)正交特性，有效消除用戶之間的干擾；在一塊小型區(qū)域聚焦極小能量的波束，提高空間分辨率，提升系統(tǒng)容量；增大陣列增益，有效提高用戶信道信噪比，優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度。隨著對(duì)大規(guī)模天線技術(shù)研究的持續(xù)發(fā)展與完善，它在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮的作用將越來越重要。

2.5D2D通信

網(wǎng)絡(luò)容量、頻譜效率是用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵，設(shè)備到設(shè)備通信D2D的優(yōu)勢(shì)在于提升性能，減輕基站壓力，提高頻譜。D2D通信是基于蜂窩系統(tǒng)的及距離直接傳輸，無需基站轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)無線通信基礎(chǔ)設(shè)施損壞，終端可借助D2D實(shí)現(xiàn)接入。未來全球終端數(shù)量爆炸式增長，D2D的成本更低，基于D2D的網(wǎng)絡(luò)接入提高頻譜效率，緩解基站的接入壓力。但技術(shù)挑戰(zhàn)也依然存在，涉及到距離不滿足條件，以及如何在D2D和蜂窩通信中的最優(yōu)選擇都是需要進(jìn)一步完善算法。D2D通信也會(huì)對(duì)其它用戶和小區(qū)基站造成不可避免的干擾。

2.6M2M通信

2020年，全球物與物之間的通信將是人與人之間通信的30倍。屆時(shí)將有500億臺(tái)M2M設(shè)備活躍于全球移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中。智能化、交互式是M2M有別于其它應(yīng)用的典型特征，這使得設(shè)備更具“智慧”。但M2M終端、M2M業(yè)務(wù)的不斷涌入，無線網(wǎng)絡(luò)過載和擁塞將成為首要的解決問題。目前自適應(yīng)負(fù)荷控制機(jī)制是解決這一問題的途徑。M2M通信中，充斥著大量小信息量數(shù)據(jù)包，引起效率降低，這就對(duì)M2M終端的續(xù)航時(shí)間提出更高的要求。

2.7新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，LTE接入網(wǎng)采用網(wǎng)絡(luò)扁平化架構(gòu)，減小了系統(tǒng)時(shí)延，降低了建網(wǎng)成本和維護(hù)成本。未來5G可能采用C-RAN接入網(wǎng)架構(gòu)。C-RAN是基于集中化處理、協(xié)作式無線電和實(shí)時(shí)云計(jì)算構(gòu)架的綠色無線接入網(wǎng)構(gòu)架。C-RAN的基本思想是通過充分利用低成本高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)，直接在遠(yuǎn)端天線和集中化的中心節(jié)點(diǎn)間傳送無線信號(hào)，以構(gòu)建覆蓋上百個(gè)基站服務(wù)區(qū)域，甚至上百平方公里的無線接入系統(tǒng)。C-RAN架構(gòu)適于采用協(xié)同技術(shù)，能夠減小干擾，降低功耗，提升頻譜效率，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)使用的智能化組網(wǎng)，集中處理有利于降低成本，便于維護(hù)，減少運(yùn)營支出。目前的研究內(nèi)容包括C-RAN的架構(gòu)和功能，如集中控制、基帶池RRU接口定義、基于C-RAN的更緊密協(xié)作，如基站簇、虛擬小區(qū)等。

3、5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展方向

5G移動(dòng)通信技術(shù)目前有五大應(yīng)用的場景，分別是支持大規(guī)模人群、超高速數(shù)據(jù)連接、可靠的實(shí)時(shí)通信、實(shí)時(shí)的多媒體通信、高品質(zhì)的最佳體驗(yàn)。第五代移動(dòng)通信技術(shù)想要達(dá)到這五個(gè)性能目標(biāo)，必須要努力做到：信息傳輸速率要達(dá)到10GB/s左右，信號(hào)頻譜利用率要提高到以前的10倍，通信業(yè)務(wù)時(shí)延要做到小于5ms，通信網(wǎng)絡(luò)容量要提升到四代的000倍左右，信號(hào)能量效率要提升到之前的10倍。達(dá)到此要求的第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將不再是簡單的容量增大和速率提升，而是能夠提供更多的移動(dòng)終端應(yīng)用和良好的用戶體驗(yàn)。為提升5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率，降低使用成本，提高普及率，研發(fā)人員在不停地研發(fā)新技術(shù)。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的最關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在效能高的無線傳輸技術(shù)和密度高的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

結(jié)束語

作為第四代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進(jìn)，5G的發(fā)展前景更好，將在多重技術(shù)與領(lǐng)域里實(shí)現(xiàn)融合與創(chuàng)新，發(fā)展成具備更好性能、讓用戶獲得更好體驗(yàn)的全新移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)將得到進(jìn)一步的研究與發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)也將成功滿足用戶更高的需求，促使移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入新的發(fā)展階段。

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