5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)探析

呂凱凱 王俐 棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院

1 引言

1G語音時代，那時移動、聯(lián)通、電信雖還未出現(xiàn)，但卻有A網(wǎng)與B網(wǎng)之分，1G具有明顯的串號與盜號的缺點，所以1G很快被淘汰。2G時代，人們可以發(fā)送簡單的文字信息也可以進行上網(wǎng)，但網(wǎng)速僅僅只有9.6KB/s。人們對網(wǎng)絡(luò)的高需求，3G隨即到來，為移動通信開辟了新紀元，使通信方式更具多樣化。4G視頻時代網(wǎng)速更快、智能性更高、覆蓋范圍很廣，幾乎滿足了所有用戶對無線網(wǎng)絡(luò)的請求。5G物聯(lián)網(wǎng)時代將實現(xiàn)機器與機器之間的互聯(lián)，它不僅僅只實現(xiàn)用戶與用戶之間的通信，它會遍及更多的應(yīng)用領(lǐng)域。為此，5G移動通信中的關(guān)鍵技術(shù)研究尤為重要。

2 5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大規(guī)模天線陣列（MIMO）

大規(guī)模MIMO技術(shù)就是大量的天線輸入、輸出信號。MIMO技術(shù)在LTE時代已被采用。LTE系統(tǒng)采用2×2的MIMO技術(shù)，LTE-A系統(tǒng)應(yīng)用8×4的MIMO技術(shù)，而未來5G要實現(xiàn)天線的多輸入多輸出。大規(guī)模MIMO技術(shù)的優(yōu)點主要在以下三個方面：第一，大規(guī)模MIMO利用超強的空間分辨率，把空間中的資源最大程度的利用，使得同一時頻的資源達到對多個終端通信，從而使頻譜效率得到大步的提升。第二，大規(guī)模MIMO技術(shù)將波束成型聚集在盡量小的范圍內(nèi)，使得目標信號增強，從而功率消耗減少。第三，使終端復(fù)雜度得到了降低。

2.2 毫米波通信技術(shù)

未來5G要實現(xiàn)傳輸速率在4G的基礎(chǔ)上增加10倍，即要達到1Gb/s.無線傳輸速率的提高有兩種途徑。一是提高頻譜利用率，二是加大頻譜寬度。經(jīng)過研究5G最有可能運用的兩個頻率是28Ghz和60Ghz。而毫米波的頻率范圍大致在30Ghz到300Ghz之間.所以毫米波為5G的實現(xiàn)作出了很大貢獻。毫米波有一個特點，它在空氣中的波性會減弱，并且穿透能力較弱。這一特點有利也有弊，利是它在傳播中可以有效避免其它頻段的干擾，維護自己的獨立性。但也說明毫米波使用的范圍是有一定限制的，離基站較遠的地方信號會減弱。研究人員發(fā)現(xiàn)要想提高傳輸速率必須使用微基站聯(lián)合毫米波技術(shù)。

2.3 D2D通信技術(shù)

D2D技術(shù)是指相同基站的兩個用戶，在基站覆蓋的范圍之內(nèi)傳達信令不再通過基站這一媒介，它們自己可以直接進行通信。D2D技術(shù)作為5G發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，是研究人員主要研究的技術(shù)之一，它的目的是想讓用戶得到更大的體驗感和更高的使用質(zhì)量。較比WIFI、藍牙等技術(shù)，D2D有很大的優(yōu)點，相比較之下傳輸速率較高，且功率利用率較高。但由于技術(shù)復(fù)雜且很難調(diào)度，所以有許多問題需要解決。

2.4 超密集異構(gòu)組網(wǎng)

為了提高高流量密度、高峰值速率和用戶體驗速率，采超密集組網(wǎng)的方法。通過縮短小區(qū)之間的距離運用UDN將網(wǎng)絡(luò)進行密集布置，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的密集化、提高基站的密集度。UDN運用了虛擬層技術(shù)，指用單層網(wǎng)絡(luò)來搭造多層的虛擬網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)利用單或多載波，讓虛擬多層網(wǎng)絡(luò)借助單載波方案利用不同的信號或信道進行搭造。而多載波方案則是利用不同的載波搭造虛擬多層網(wǎng)絡(luò)，使邏輯小區(qū)被多個物理小區(qū)虛擬出來。虛擬小區(qū)與用戶的動態(tài)緊密相連，隨用戶的變化而改動。超密集異構(gòu)組網(wǎng)應(yīng)用在5G中要實現(xiàn)多分層、多小區(qū)、多載波的特點，來達到多種行業(yè)的需求。未來5G的組網(wǎng)要在4G的基礎(chǔ)上添加5G站點使網(wǎng)絡(luò)更加密集化，從而解決覆蓋和容量的困難。

2.5 新型無線網(wǎng)接入構(gòu)架

新型無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架主要運用C-RAN無線接入網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。C-RAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中的基站包含分布式RRU和集中式BBU兩部分，基站通過減少天線與移動通信的間距增加了寬帶容量，從而提高網(wǎng)絡(luò)利用率。它與前幾代分布式基站的區(qū)別是，它實現(xiàn)射頻單元與基帶處理單元的獨立，原來兩者緊密的關(guān)系被分離。這樣的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使終端依據(jù)C-RAN接收信號的強度來選擇服務(wù)，在利用實時虛擬的多小區(qū)MIMO技術(shù)實現(xiàn)信息的共享，從而提高頻譜效率。C-RAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架可以降低通信開銷，提高寬帶容量，但同時也存在一些挑戰(zhàn)，例如要用較低的開銷傳輸高寬度的無線信后；利用較前沿的協(xié)作發(fā)射與接收技術(shù)提高性能；運用基站虛擬化技術(shù)降低資源的浪費。

2.6 邊緣計算

邊緣計算技術(shù)（MEC)目的是在網(wǎng)絡(luò)邊緣對海量的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，去除掉無用的數(shù)據(jù)，從而降低傳輸?shù)膸?，提高傳輸效率。MEC的系統(tǒng)是在虛擬化平臺的基礎(chǔ)上建立的，MEC平臺具有良好的開放性和自動管理能力。3GPP規(guī)定邊緣技術(shù)要遵守5G的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，且要提供這些支持：本地路由、話務(wù)分流、會話和業(yè)務(wù)連續(xù)性、用戶面選擇和重選、網(wǎng)絡(luò)能力開發(fā)、QoS和計費。MEC是的技術(shù)會越來越基于成熟，以后應(yīng)用領(lǐng)域會越來越廣泛，但是目前才剛剛開發(fā)研究，未來還有一段很長的路要走。

2.7 網(wǎng)絡(luò)切片

5G移動通信網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于三類場景：移動寬帶、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)和關(guān)鍵任務(wù)型物聯(lián)網(wǎng)。移動寬帶數(shù)據(jù)接入三維立體視頻、超高清視頻、云工作、云娛樂等。大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智慧家庭、智慧城市等。關(guān)鍵任務(wù)型主要應(yīng)用于無人駕駛、遠程醫(yī)療、緊急任務(wù)應(yīng)用等。由于各個業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)需求存在差別，不能用相同的網(wǎng)絡(luò)達到不同的業(yè)務(wù)需求，即研發(fā)了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。為了讓網(wǎng)絡(luò)切片成為可能，基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)又研發(fā)出切片管理器和切片選擇兩個功能。網(wǎng)絡(luò)切片是一個相當復(fù)雜的工程，它要實現(xiàn)端對端的接入。在實現(xiàn)過程中要穿過三個網(wǎng)絡(luò)：接入網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。在穿過每一個網(wǎng)絡(luò)都面臨著不少挑戰(zhàn)，需要一一解決。

3 結(jié)束語

移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，從1G、2G、3G、4G到現(xiàn)在還在研發(fā)階段的5G，它們是人類智慧的結(jié)晶，是改變世界的科技。5G移動通信在走向成熟商用之前，上文所述這些關(guān)鍵技術(shù)的突破會加快5G移動通信技術(shù)的發(fā)展，對這些技術(shù)的探析非常有意義。