5G移動通信發展趨勢與關鍵技術研究

付僅華

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5G移動通信發展趨勢與關鍵技術研究

付僅華

廣東南方電信規劃咨詢設計院有限公司惠州分公司，廣東 惠州 516003

近年來，隨著技術的發展和需求的增加，較4G技術更高端、更便捷的5G移動通信技術的研發，得到了人們的廣泛關注。因此，對5G移動通信的發展趨勢和關鍵技術進行了簡要的研究討論。

5G移動通信；關鍵技術；發展趨勢

引言

4G技術在人們的生活和工作中已經得到了廣泛的應用，然而隨著軟件和智能通信工具的不斷開發和更新，對移動通信技術的需求也隨之增長，5G技術即將再次改變人們的生活。5G技術的產生和實踐會對無線網絡、用戶終端、應用場景以及業務進行進一步的創新和融合。

1 5G移動通信的發展趨勢

2012年，國際電信聯盟（ITU）開始組織全球業界啟動5G愿景、流量預測和未來技術趨勢等前期研究，提出5G將大幅提升“以人為中心”的移動互聯網業務體驗，同時全面支持“以物為中心”的物聯網業務，實現人與人、人與物以及物與物的智能互聯的總體愿景。ITU以5G前期研究成果為指引，提出5G網絡將向自動化、智能化方向發展，網絡行業需求已由公眾用戶向行業用戶延伸。研究和交流的不斷深入，使得業界對5G網絡的目標和性能都達成了共識。海量機器類通信、超高可靠低時延通信及增強移動寬帶，這些都是5G網絡主要涵蓋的應用場景。為適應不同的業務場景，在5G關鍵能力指標方面，在保留傳統的移動性、頻譜效率、峰值速率和時延的基礎上，ITU還提出了連接數密度、用戶體驗速率、能效和流量密度等4個新增關鍵能力指標[1]。

為滿足移動通信網絡業務的發展要求，未來5G網絡需要實現以下目標：（1）數據流量密度提升1?000倍；（2）設備連接數目增加10～100倍；（3）用戶體驗速率改善10～100倍；（4）MTC終端待機時長延長10倍；（5）端到端時延縮短5倍。為了應對未來5G網絡業務的發展、維護、運營的需求，需要從網絡架構、無線頻譜、無線接入技術等多個層面綜合考慮。未來5G網絡需要具備靈活性、可編程性和可擴展性，所以這就對網絡架構提出了新的挑戰；同時多種無線接入技術的引入同樣需要未來網絡架構做出相應的改良，最大限度挖掘新技術的性能增益，因此網絡架構的設計至關重要。在無線頻譜的開發利用中，高頻段甚至超高頻段和非授權頻段的使用、離散頻段的聚合和低頻段的重耕等為滿足未來頻譜資源的需求提供了可能的解決方案。毫米波技術、大規模天線技術、新型多址技術、全雙工技術、超密集組網（UDN）和終端直通（D2D）技術等都對提升頻譜利用率、增強5G網絡性能做出了一定的貢獻。

2 5G移動通信的關鍵技術分析

5G移動通信主要依靠超高效能的無線傳輸技術和高密度的無線網絡技術提升系統性能。在實際操作和技術應用中，主要依靠無線網絡傳輸技術、全雙工技術、直接通信技術、高頻網絡傳輸技術等。接下來對5G移動通信的無線網絡傳輸技術、全雙工技術、直接通信技術及高頻網絡傳輸技術進行分析。

2.1 無線網絡傳輸技術

在信息技術的發展過程中，關于提高傳輸效率和方法的探討一直存在。5G移動通信的發展，更重視天線的使用情況，對MIMO系統的應用也在逐步增加。天線技術是提高系統頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段，已經應用于3G、LTE、LTE-A和WLAN等多種無線通信系統。由信息論可知，天線數量越多，頻譜效率和可靠性提升越明顯。MIMO系統，即發送端和接收端均放置多個天線，形成MIMO通信鏈路。MIMO可以在不增加帶寬或總發射功率損耗的情況下大幅增加系統的吞吐量和傳輸距離。當發射和接收天線數量很大時，MIMO信道容量將隨收發天線數中最小值近似線性增長。目前的無線通信系統中收發端配置的天線數量都不多，但由于其巨大的容量和可靠性增益，針對大天線數的 MIMO系統相關技術的研究日益深入。2010年，貝爾實驗室的Marzetta研究了多小區、TDD情況下，各基站配置無限數量天線的極端情況下的多用戶MIMO技術，提出了大規模MIMO的概念[2]。之后，在此基礎上眾多研究人員研究了基站配置有限天線數量的情況。

根據天線配置的方式不同，大規模MIMO可分為集中式的大規模MIMO和分布式的大規模MIMO。數量巨大的天線集中配置在一個基站上，形成集中式的大規模MIMO。5G無線接入網將在“宏輔助小蜂窩”中使用大規模MIMO，采用較低頻段全方位提供控制平面業務；小蜂窩則利用毫米波頻段，使用高度定向的大規模MIMO波束承載用戶平面的通信業務。在5G頻段，包含幾百數量級天線的陣列是可行的。

2.2 全雙工技術

全雙工技術能夠實現在同一時間和同一頻率下，更便捷地進行雙向通信。在已有的移動通信系統中，網絡和終端在發射和接收信號時，都會出現相互干擾的現象。這一現象極大地阻礙了信息的發射接收效率和質量。因此，針對這個問題，在5G移動通信的研究上進行了改進。受現有技術水平限制，想要實現雙向通信時二者同時同頻還十分困難。就全雙工技術而言，從理論上來看，頻譜的利用率被提升了不到一倍，可以靈活地使用。伴隨信號處理技術以及器件技術的迅速發展，5G移動通信系統也將充分應用與挖掘同時同頻的全雙工技術。

2.3 直接通信技術

在不同的設備之間，利用5G網絡進行直接通信，能夠有效降低通信時的能源消耗和延遲。直接通信技術的使用不僅能夠更好地發揮頻譜資源的作用，而且也能顯著提升5G通信效率和質量。

在5G 移動通信網絡中，要想將數據流量提高到超過1?000倍以上，必然要通過密集網絡技術的形式來實現這一目標。將5G移動網絡的數據流量在室內與熱點地區進行分布，不斷提升用戶性能，有助于網絡覆蓋率的提升。現階段，智能終端設備的使用非常普遍，用戶對于數據流量的要求也越來越高。因此，5G移動通信要實現預期的目標，必須通過超密集網絡技術來實現。通過應用超密集網絡技術，不僅可以提高系統的容量，而且能夠擴大網絡覆蓋的范圍，但同時也存在很多缺點。比如在較小的范圍內，存在一定程度的干擾，對于網絡能效的提升非常不利。由此可見，5G移動通信技術的發展只有依靠云計算平臺，并在自動模式與智能配置之間進行切換，才能實現5G移動通信的自動智能組網。

2.4 高頻網絡傳輸技術

由于互聯網時代信息資源共享性的提升，信息傳遞極為便利，因此現階段移動終端用戶的激增，導致了市場資源被劇烈地瓜分和爭搶。競爭加劇會導致資源的相互沖突，從而影響信號的穩定性。

目前頻段過多導致了頻譜資源的擁擠，使得大多數數據傳輸頻段都集中在3?GHz，高頻段使用率極低。然而高頻段中同樣具有豐富的資源。進一步開發和完善高頻網絡傳輸，不但能夠有效地緩解資源爭搶問題，還能夠提升數據傳輸的速度。但是這種技術也會受到氣候環境以及距離等因素的影響，弱化信號的穿透能力。所以，在開發和研究時，還需要監測中心進一步研究系統的設計，不斷提升資源優化配置的效率。

3 結語

現階段，5G技術的進一步發展和推廣有助于信息的利用和傳輸。雖然5G技術尚處于萌芽階段，但是經過對現有技術的總結和思考，以及對未來發展趨勢的展望，能夠從觀點和思路上進一步推動5G移動通信技術的發展。

[1]李榮偉. 5G移動通信發展趨勢及關鍵技術研究[J]. 中國新通信，2018，20（2）：25-27.

[2]張榮國. 淺談5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術[J]. 電腦知識與技術，2017，13（22）：62-63.

Research on Development Trend and Key Technologies of 5G Mobile Communication

Fu Jinhua

Huizhou Branch of Guangdong Southern Telecommunication Planning & Consulting Institute Co., Ltd.,Guangdong Huizhou 516003

In recent years, with the development of technology and the increase of demand, the research and development of 5G mobile communication technology is more advanced and convenient than 4G technology, and has received widespread attention. Therefore, the paper briefly discusses the development trend and key technologies of 5G mobile communications.

5G mobile communications; key technologies; development trend

TN929.53

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