5G和未來無線通信技術初探

陳欣然

（廣州市第二中學，廣州 510530）

在信息時代，無線通信技術作為當今世界發展最迅速的通訊技術，對人們的生活產生了深刻的變革。無線通信的主要形式包括廣播、無線電、蜂巢式網絡。在移動中實現的無線通信技術統稱為移動通信技術。目前，我國主要采用第四代移動通信技術（4G），隨著物聯網及其相關產業的快速發展，當前4G技術已經無法滿足社會和時代的需求。在這個背景下，第五代移動通信技術（5G）成為現階段國內外技術團隊和專家學者的研究重點。5G網絡以5G NR和統一空中接口為基礎，充分利用各種可用頻段和各類頻譜，支持各種設備類型、服務和部署，為滿足未來十年及以后不斷擴展的全球連接需求設計實現。

本文首先闡述了無線通信技術的原理和無線通信技術的發展歷程，然后重點探討了5G通信關鍵技術，最后對無線通信技術的未來發展做出展望。

1 無線通信技術原理

無線通信是通過電磁波加載信號，利用天線在自由空間中進行接受和發送信息的一種通信技術。無線通信的核心技術是編碼方式、載波和天線、協議與架構。

2 無線通信技術的發展歷程

無線通信技術發展至今已經歷了四次技術革新，也就是我們所熟知的1G、2G、3G、4G。表1展示了歷代通信技術的特性。

表1 歷代通信技術特性表

第一代移動通信技術使用蜂窩電化標準，通過模擬調制、頻分多址（FDMA）技術，模擬移動電話系統發送語音。

相對于第一代直接以模擬信號的方式進行語音傳輸，2G移動通信系統以數字化方式不僅傳輸語音，具有通話功能，某些系統還引入了簡訊功能。2G技術基本上可分成兩類：一種是基于TDMA所發展出來的系統，以GSM為代表；另一種則是基于CDMA規格所發展出來的系統。

表2 重要縮寫表

3G服務能夠同時發送聲音（通話）及信息（電子郵件、即時通信等），代表特征是能夠提供幾百kb/s以上的高速數據業務。

而目前廣泛使用的4G服務，按照ITU的定義，4G技術采用正交頻分多址技術，具有靜態傳輸速率1Gb/s，用戶在高速移動狀態下可以達到100Mb/s的速率。4G具有更高的數據吞吐量、更低時延、更低的建設和運行維護成本、更高的鑒權能力和安全能力、支持多種服務質量等級。

3 第五代移動通信技術

第五代移動通信技術（5G）是現階段國內外學者的研究重點。5G網絡以5G NR統一空中接口為基礎，能夠滿足不斷擴展的全球連接需求而設計。5G NR技術能夠支持各種設備類型、服務和部署，并將充分利用各種可用頻段和各類頻譜。其意義不僅是網速更快，移動寬帶體驗更優，它的使命更在于能夠連接新行業、催生新服務，比如推進工業自動化、大規模物聯網、智能家居、自動駕駛等行業發展。

3.1 5G技術指標

（1）數據速率。相比于上一代的4G通信系統，5G在數據速率上提出了極高的要求，區域容量要求提高1000倍以上，邊緣速率要求提高1倍，達到100Mb/s到1Gb/s，峰值速率達到10Gb/s。

（2）延遲。現在4G網絡的往返時間延遲是15ms，隨著硬件及網絡設備的時間延遲標準要求越來越高，比如移動云計算設備和可穿戴互聯網設備，因此5G網絡需要新的架構和協議。

（3）能量花費。隨著5G網絡的發展，能耗降低技術是5G網絡的發展趨勢。在用戶數據速率提高100倍的指標要求下，傳輸每比特信息所花費的能耗需要降低至少100倍，因此，提高能耗的利用率是5G網絡重要的研究方向。

（4）設備接入能力。5G網絡具有更強的服務能力，能夠同時接入更多的用戶。隨著通信技術的發展，單一宏蜂窩不僅能夠支持超過1000個低傳輸速率設備，同時支持普通的高傳輸速率設備。

3.2 5G關鍵技術

5G以4G LTE為基礎，充分利用和創新現有的先進技術，主要有以下關鍵技術：

（1）基于OFDM優化的波形和多址接入。OFDM技術被4G LTE和Wi-Fi系統廣泛采用。其優勢在于復雜度低、頻譜效率高、能耗少、頻率局域化。5G將在4G的基礎上進一步發展OFDM波形和多址接入技術。

（2）靈活的框架設計。“靈活”強調時域和頻域上的靈活切分。它要求擁有可擴展的時間間隔：相比當前的4G LTE網絡，5G NR將使時延降低一個數量級。自包含集成子幀是另一項關鍵技術，通過把數據的傳輸和確認包含在一個子幀內，時延可顯著降低。

（3）先進的新型無線技術。一是大規模的MIMO技術是目前無線通信領域的一個重要創新研究項目。通過智能使用多根天線（設備端或基站端），發射或接受更多的信號空間流，能顯著提高信道容量；通過智能波束成型，將射頻的能量集中在一個方向上，可以提高信號的覆蓋范圍。二是毫米波：電磁波頻率越高，能傳輸的信息越多。毫米波（60GHz）的頻率將比之前使用的微波（0.2GHz）更高，毫米波需要解決的關鍵問題是能量損耗。三是頻譜共享：使用共享頻譜和非授權頻譜，將5G擴展到多個維度，實現更大容量、使用更多頻譜、支持新的部署場景。四是先進的信道編碼設計：目前LTE網絡的編碼還不足以應對未來的數據傳輸需求，因此迫切需要一種更高效的信道編碼設計。

4 未來展望

目前，5G技術已攻破較多技術難題，取得了較大發展，雖然一些技術指標尚未實現，未來有望突破這些技術難關，并且能夠達到更高的數據傳輸速率、更低的延遲、更廣的覆蓋范圍以及更強的服務能力。物聯網以及相關產業的發展都離不開5G商用模式的推廣，5G技術將持續推進工業自動化、大規模物聯網、智能家居、自動駕駛等未來重要技術的研究。5G不僅能夠給予用戶提供更優質的服務，更在于其連接各行業的使命，能夠催生許多新的服務。