5G移動通信關鍵技術探析

呂凱凱 王俐 棗莊學院光電工程學院

1 引言

1G語音時代，那時移動、聯通、電信雖還未出現，但卻有A網與B網之分，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，人們可以發送簡單的文字信息也可以進行上網，但網速僅僅只有9.6KB/s。人們對網絡的高需求，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絡的請求。5G物聯網時代將實現機器與機器之間的互聯，它不僅僅只實現用戶與用戶之間的通信，它會遍及更多的應用領域。為此，5G移動通信中的關鍵技術研究尤為重要。

2 5G移動通信關鍵技術

2.1 大規模天線陣列（MIMO）

大規模MIMO技術就是大量的天線輸入、輸出信號。MIMO技術在LTE時代已被采用。LTE系統采用2×2的MIMO技術，LTE-A系統應用8×4的MIMO技術，而未來5G要實現天線的多輸入多輸出。大規模MIMO技術的優點主要在以下三個方面：第一，大規模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，大規模MIMO技術將波束成型聚集在盡量小的范圍內，使得目標信號增強，從而功率消耗減少。第三，使終端復雜度得到了降低。

2.2 毫米波通信技術

未來5G要實現傳輸速率在4G的基礎上增加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。研究人員發現要想提高傳輸速率必須使用微基站聯合毫米波技術。

2.3 D2D通信技術

D2D技術是指相同基站的兩個用戶，在基站覆蓋的范圍之內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技術作為5G發展的關鍵技術，是研究人員主要研究的技術之一，它的目的是想讓用戶得到更大的體驗感和更高的使用質量。較比WIFI、藍牙等技術，D2D有很大的優點，相比較之下傳輸速率較高，且功率利用率較高。但由于技術復雜且很難調度，所以有許多問題需要解決。

2.4 超密集異構組網

為了提高高流量密度、高峰值速率和用戶體驗速率，采超密集組網的方法。通過縮短小區之間的距離運用UDN將網絡進行密集布置，實現網絡的密集化、提高基站的密集度。UDN運用了虛擬層技術，指用單層網絡來搭造多層的虛擬網絡，該技術利用單或多載波，讓虛擬多層網絡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絡，使邏輯小區被多個物理小區虛擬出來。虛擬小區與用戶的動態緊密相連，隨用戶的變化而改動。超密集異構組網應用在5G中要實現多分層、多小區、多載波的特點，來達到多種行業的需求。未來5G的組網要在4G的基礎上添加5G站點使網絡更加密集化，從而解決覆蓋和容量的困難。

2.5 新型無線網接入構架

新型無線網絡構架主要運用C-RAN無線接入網絡構架。C-RAN網絡構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，從而提高網絡利用率。它與前幾代分布式基站的區別是，它實現射頻單元與基帶處理單元的獨立，原來兩者緊密的關系被分離。這樣的無線網絡結構使終端依據C-RAN接收信號的強度來選擇服務，在利用實時虛擬的多小區MIMO技術實現信息的共享，從而提高頻譜效率。C-RAN網絡構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，例如要用較低的開銷傳輸高寬度的無線信后；利用較前沿的協作發射與接收技術提高性能；運用基站虛擬化技術降低資源的浪費。

2.6 邊緣計算

邊緣計算技術（MEC)目的是在網絡邊緣對海量的數據進行預處理，去除掉無用的數據，從而降低傳輸的帶寬，提高傳輸效率。MEC的系統是在虛擬化平臺的基礎上建立的，MEC平臺具有良好的開放性和自動管理能力。3GPP規定邊緣技術要遵守5G的網絡構架，且要提供這些支持：本地路由、話務分流、會話和業務連續性、用戶面選擇和重選、網絡能力開發、QoS和計費。MEC是的技術會越來越基于成熟，以后應用領域會越來越廣泛，但是目前才剛剛開發研究，未來還有一段很長的路要走。

2.7 網絡切片

5G移動通信網絡主要應用于三類場景：移動寬帶、大規模物聯網和關鍵任務型物聯網。移動寬帶數據接入三維立體視頻、超高清視頻、云工作、云娛樂等。大規模物聯網主要應用于物聯網、智慧家庭、智慧城市等。關鍵任務型主要應用于無人駕駛、遠程醫療、緊急任務應用等。由于各個業務網絡需求存在差別，不能用相同的網絡達到不同的業務需求，即研發了網絡切片技術。為了讓網絡切片成為可能，基于傳統網絡又研發出切片管理器和切片選擇兩個功能。網絡切片是一個相當復雜的工程，它要實現端對端的接入。在實現過程中要穿過三個網絡：接入網絡、核心網絡、數據和服務網絡。在穿過每一個網絡都面臨著不少挑戰，需要一一解決。

3 結束語

移動通信網絡的發展，從1G、2G、3G、4G到現在還在研發階段的5G，它們是人類智慧的結晶，是改變世界的科技。5G移動通信在走向成熟商用之前，上文所述這些關鍵技術的突破會加快5G移動通信技術的發展，對這些技術的探析非常有意義。