5G無線通信關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀

李志 葛明 王璟瑞 張主杰

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展以及人們對更高速可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的日益渴望，近幾年5G的發(fā)展勢頭高漲。隨著5G技術(shù)的提出和不斷進(jìn)步，該技術(shù)成為將來無線通信領(lǐng)域的主要技術(shù)指日可待。我國的無線通信技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了2G、3G和4G時代，5G通信技術(shù)也布局已久，5G無線通信技術(shù)的發(fā)展將是我國通信產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的良好契機。我國只有抓緊機遇，不斷提高自身科研水平，才能進(jìn)一步縮短與發(fā)達(dá)國家通信技術(shù)之間的差距。由此可見，對5G通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行不斷跟蹤和分析，對于大面積推廣此技術(shù)和為此技術(shù)的應(yīng)用打好基礎(chǔ)具有重要意義。本文就5G無線通信關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀展開探討。

關(guān)鍵詞：5G;移動通信網(wǎng)絡(luò);關(guān)鍵技術(shù)

1、5G無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)概述

5G無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是在之前的無線通信技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級和改造，在數(shù)據(jù)傳輸性能等方面全面領(lǐng)先4G無線網(wǎng)絡(luò)的新型無線通信技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)，5G無線通信首次應(yīng)用了納米技術(shù)，使傳輸速度得到有效提升，同時還注重數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩捅Ｃ堋€人信息的加密是5G技術(shù)最突出的創(chuàng)新點，信息在傳輸過程中遇到問題會及時報錯，并有效進(jìn)行保護，這在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展越來越快的今天十分重要。

2、5G移動通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

這種技術(shù)屬于是無線傳輸技術(shù)，在運行過程中主要依靠了大型天線系統(tǒng)，然后將其集成在5G移動通信中，降低制造成本以及技術(shù)能耗。在天線系統(tǒng)之中，大規(guī)模MIMO技術(shù)可以把很多天線結(jié)合在一起，以此實現(xiàn)多個地區(qū)和多天線信息的相互交流傳遞，這與5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展目標(biāo)相契合。因此，在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)中，大規(guī)模MIMO技術(shù)是一項關(guān)鍵技術(shù)。在5G落實之前，這種技術(shù)已經(jīng)被廣泛運用，在未來的發(fā)展中，需要做的是將其和5G通信網(wǎng)絡(luò)融合，以此檢查其中是否有不契合的部分。若是有就需要進(jìn)行解決，將兩者結(jié)合在一起讓技術(shù)更加完美。在對大規(guī)模MIMO技術(shù)進(jìn)行完善時，需要對其中技術(shù)優(yōu)化點進(jìn)行考慮。在實際工作中要將其與5G通信網(wǎng)絡(luò)融合在一起，發(fā)現(xiàn)天線數(shù)據(jù)，將其作為技術(shù)優(yōu)化的切入點。在5G通信網(wǎng)絡(luò)中，天線是信息主要傳輸載體，因此信息傳輸速率以及頻譜利用率和天線之間有緊密關(guān)系。為了提高信息傳輸效率，就需要提高頻譜利用率。經(jīng)過數(shù)量的增加優(yōu)化天線配置，合理的配置天線，可以發(fā)送接收端信息傳輸?shù)男省Ｔ谑褂眠@種技術(shù)時，要明確分布形式，集中與散落的分布形式能夠獨立運用，但是要提升使用效果，最好的方式是結(jié)合一體共同運用。在結(jié)合運用中，空間資源利用率有一定提高，可以降低發(fā)射功率，不易受到外界干擾信號的影響。

2.2 毫米波

隨著低頻段頻譜資源不斷被利用，低頻帶無線通信系統(tǒng)日益擁堵，尋求新的的頻譜資源以適應(yīng)5G更高速的傳輸需求已是大勢所趨。各國研究者將目光投向了頻譜資源豐富的毫米波頻段。毫米波的波長處于微波和遠(yuǎn)紅外波之間，而波長又與尺寸成正比，因此，毫米波元器件的尺寸要比同等波長微波下的器件尺寸小得多。利用這個優(yōu)點，基站端可以布置大規(guī)模天線陣列，再配合預(yù)編碼技術(shù)，毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)就可以達(dá)到提升發(fā)送信號的增益、減輕外界磁場的干擾、降低資源損耗等目的。但是，毫米波通信有一個缺點就是它容易受到大氣和雨水等外界環(huán)境的影響，路徑損耗較大，為了解決這一問題，需要在毫米波通信中引入波束成形（BF，BeamForming）技術(shù)。

2.3 D2D技術(shù)

D2D技術(shù)是英文Device-to-Device的簡稱，其還被人們稱之為蜂窩通信。隨著5G通信技術(shù)越來越普及，提升無線通信性能顯得越來越緊迫，而D2D技術(shù)就是在這種背景下誕生的，進(jìn)而迅速的被推廣應(yīng)用。這項技術(shù)在我國的應(yīng)用時間也不算短了，其發(fā)展和推廣速度非常的快，并且我國很多通信公司還獲得相應(yīng)的專利授權(quán)。就當(dāng)前情況來看，蜂窩通信技術(shù)已然成為5G移動通信網(wǎng)絡(luò)最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，其發(fā)展前景非常的廣大，筆者相信這項技術(shù)在未來的移動互聯(lián)網(wǎng)中必定能夠發(fā)揮更大的作用。

2.4 波束成形

波束成形并不是一個新名詞，它其實是一種經(jīng)典的傳統(tǒng)天線技術(shù)，在軍用雷達(dá)中早就有所應(yīng)用。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信系統(tǒng)的抗干擾能力到達(dá)一定狀態(tài)之后就無法再取得明顯的提高，信號傳輸距離、信道質(zhì)量等因此也受到限制，為此，研究人員將波束成形引入到5G中來，期望對無線通信系統(tǒng)的干擾問題瓶頸進(jìn)行改善。在5G無線通信系統(tǒng)中，使用大規(guī)模MIMO天線技術(shù)在基站端配置了大量的天線陣列，發(fā)出的信號向四面八方傳播，使得部分接收信號功率損失嚴(yán)重，質(zhì)量也大打折扣。研究人員利用波束成形技術(shù)對多天線陣元接收到的各路信號進(jìn)行加權(quán)合成，讓信號集中在指定的方向傳輸，相當(dāng)于形成了具體指向上的波束，從而提高了信號的抗干擾能力，獲得了更高的信號質(zhì)量。但是，使用波束成形也帶來了一些問題。首先，通信系統(tǒng)設(shè)備成本和功耗的提高，對實際應(yīng)用提出了不小的挑戰(zhàn);其次，如何將波束快速地對準(zhǔn)用戶，使波束不至于偏離用戶，導(dǎo)致用戶接收不到高質(zhì)量的無線信號，這些都有待我們后續(xù)繼續(xù)改進(jìn)。

3、5G無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

5G無線通信技術(shù)會隨著相關(guān)部門研究的深入而日趨成熟，無論是高頻傳輸方面，還是網(wǎng)絡(luò)的大容量、大帶寬方面都會得到提升和發(fā)展。互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展也給5G無線通信技術(shù)提出了更高的要求，需要在無線通信中做到系統(tǒng)容量不斷擴增、傳輸速度不斷加快的同時，保證客戶信息的安全。就現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向來講，5G無線通信技術(shù)的研究還需借助其他優(yōu)秀無線傳輸技術(shù)的經(jīng)驗來進(jìn)行合理規(guī)劃，例如對于小區(qū)網(wǎng)絡(luò)來講，推進(jìn)智能化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展，需要尋求增加熱點和降低干擾的平衡，增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提升用戶體驗。在未來的發(fā)展中，5G無線通信技術(shù)會對頻率資源進(jìn)行進(jìn)一步的分析和挖掘，無論是高頻段、毫米波還是可見光，更深入地利用頻率資源可以保證網(wǎng)絡(luò)帶寬充足，滿足網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求。同時5G無線通信技術(shù)將更好地與當(dāng)下發(fā)展火熱的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行良好的結(jié)合，更多機器之間會利用無線通信進(jìn)行交互和應(yīng)用，這就需要在研發(fā)通信技術(shù)時考慮到終端數(shù)量快速增長的問題，一旦大量終端并發(fā)接入，如何才能保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。由此可見，5G無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展還有很長的路要走，要根據(jù)當(dāng)前不斷增長的需求來拓寬網(wǎng)絡(luò)的可用性，通過制定接入方案和進(jìn)行壓力測試等保證無線通信質(zhì)量。

結(jié)語

總之，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對于我們國家具有十分重要的現(xiàn)實意義，一方面能夠使當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)速度實現(xiàn)應(yīng)有的提高，另一方面還能夠顯著的提升我們國家的綜合國力，為我們國家的經(jīng)濟發(fā)展和科技進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。5G移動通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)在應(yīng)用中必然會遇到很多問題，因此要慎重對待這些問題，并找到問題的解決措施，如此5G技術(shù)才能逐漸完善。在研究該技術(shù)時，要從實際出發(fā)，對其具體應(yīng)用效果進(jìn)行評估和判斷，找到可優(yōu)化升級的點。

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（作者單位：中國移動通信集團設(shè)計院有限公司黑龍江分公司）