5G無線通信場景需求與技術演進

李海波

（廣西通信規劃設計咨詢有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引 言

目前，我國的4G技術已經趨于成熟，4G網絡的數據基本實現了全面覆蓋，而5G技術還處在研發、調整和試運營的狀態。在眾多的技術中，TACS與AMPS是最具有代表性的技術。但是，由于這兩種技術采用的系統應用范圍較小，目前難以做到全面推廣。回顧通信產業的發展歷史，自從人們進入21世紀后，隨著網絡用戶的總數急劇增加，人們對通信的要求也越來越高。2G網絡已經難以滿足人們對通信的需求，那時的人們亟需有新的通信技術來取代2G通信。在發展的過程中，3G網絡曾經也被廣泛的運用過，但是由于3G網絡的穩定性和速度都較低，所以3G網絡很快就被淘汰了。4G網絡的出現在很大的程度上改善了人們的通信體驗，不僅極大地提升了網絡的速度，而且其穩定性和安全性也受到了人們的普遍好評。分析現狀可知，我國運用最廣泛的還是4G網絡。而在近期提出的5G網絡則是在4G的基礎上的一個巨大飛越。目前，5G已經局部投入使用，可以預測在不久的將來5G網絡也會逐漸走進人們的生活，成為網絡發展史上的又一重要里程碑。

1 5G技術概況與技術特點

1.1 5G技術概況

5G的實際含義指的是第五代移動電話系統。它是在目前的4G網絡上發展起來的新技術，是4G的延伸。但是5G技術到目前為止還沒有任何一家通信公司或者國際的標準制定組織以文件的形式對其有明確的定義和技術注釋。三星集團在2013年就在5G技術上取得了突破，并且預定在2020年開始讓5G網絡走向商業化。為了迎接5G時代的來臨，4G網絡還在進一步的擴張中，希望通過用戶數量的增加來加強部署。這么做的目的意在擴大服務容量，使得更多的用戶能夠早日使用5G通信網絡。但是小型基站的部署和建立工作也會受到一定的阻礙。例如，過于密集的基站之間可能會造成信號干擾，如何削弱這種干擾成為了當下最值得研究的課題之一。此外，5G網絡在推進的過程中逐步演變成立無線技術。目前，投入使用的無線技術有3G/4G/WiFi，還有很多近年來新研制的其他無線技術。所以，從某種程度上來說，5G網絡是將現在所有的無線通信技術進行了一次具有意義的融合，并在融合的基礎上衍生出了其他的新技術。5G技術在滿足人與人之間的聯通的同時，結合物聯網技術實現了人與物之間的聯通。

1.2 5G技術特點分析

5G與4G比較起來具有較為明顯的特點。首先，5G基站的修建相對于4G基站會趨于小型化。由于小型化的實現，所以5G基站對環境的要求不高，能夠適應大部分地區。此外，5G的優勢還體現在其強大的功能，可以消除傳統通信中的匯聚節點。同時，5G網絡的網絡結構也更加扁平化，因為按照目前的發展軌跡，5G網絡的基站將會建立在大型的服務器群中。例如，人們現在下載一部電影所需要的時間可能是幾分鐘甚至更長，但如果使用5G網絡，那么下載一部電影的時間將會被大幅縮短至可能只要幾秒鐘。除了速度更快之外，5G網絡還可以實現隨時接入，且站點密集、穩定性強[1]。

2 5G無線通信場景需求

2.1 5G發展背景簡述

分析人類的無線通信發展軌跡可知，往往都是隨著社會的發展，人們對通信場景的要求產生的變化在促進通信技術的發展。因此，如果能夠準確把握人們對通信場景的要求，那么就能夠較為準確地預測未來通信技術的發展方向。我國現有的幾家大型通信公司都有專門的研究團隊，他們會對場景需求進行調研和設計，在我國不同的區域內有針對性的收集人們的需求，并以需求為基礎來進行相關的研究工作。

2.2 5G場景需求

5G通信網絡的場景需求相對于4G有明顯的不同，具體有如下三個特征。第一，高轉換的通信場景需求。高轉換就是要求在各種通信場景之間進行轉換時的效率是非常高的。對于同一個人，可能上一分鐘是建筑工地上的建筑工人，對網絡的使用不那么頻繁，但是下一分鐘可能就會到市中心進行采購，需要大量的通信支持，這兩種巨大反差的通信要求可以在很短的時間內完成轉換。第二，高密度的通信場景需求。由于如今信息技術的發展，人們獲取信息的總量相對于以前有了明顯的提升，因此通信網絡要能夠滿足在較小的區域內服務更多的人群，要能夠支持更多的人接受密集的信息。為了滿足這一需求，5G網絡的通信基站將會更加高效、更加小型，也更加密集。第三，高速度的通信場景需求。4G網絡由于其穩定性和傳輸速度都難以滿足現代人們快節奏的生活，所以就要求5G網絡的速度要比4G網絡有明顯的提升。在5G網絡的支撐下，人們很快就可以享受到比4G快50倍的通信速度，以及更加便捷的網絡服務。但是在這樣的高速通信下，通信是否穩定、是否安全則是人們的關注點。因此，研究人員要確保網絡信號的穩定，并具有抗干擾的能力。未來，在5G網絡下，人們不僅可以讓自己的移動設備接收各種信息，還可以實時將信息傳到個人云端[2]。

3 5G技術演進路線

5G技術的發展過程如圖1所示，將會有很多新的功能被加入到網絡標準中。載波聚合技術和Massive-MIMO技術是當今熱門技術。前者的設計初衷是要實現將多個處于離散狀態下的載波結合起來，以達到提高帶寬的目的。正是由于這一技術的誕生，所以未來通信所能夠利用的有效頻譜會更加寬泛。

圖1 5G技術演進路線

Massive-MIMO的設計目的則是為了提高天線信號的輸出能力。5G技術的相關研究人員也在試圖通過重組網絡構架來提高網絡的質量和穩定性。由于云技術的快速發展，目前傳統的移動接入網的結構已經被完全顛覆。傳統的基站是按照分布式排列的，相鄰的兩個基站之間的聯通方式是借助X2口。這樣的接入方式有一個明顯的弊端，其時延問題和backhaul容量的大小在很大程度上限制了LTE的傳輸能力。云技術也有效的提升了backhaul的容量大小，同時由于云技術的交流性強，也實現了設備之間的數據共享。

此外，4G網絡對硬件的依賴程度較高，5G技術也突破了這一壁壘。4G網絡中很多功能都需要依賴硬件來實現，而在5G中將對這些功能進行進一步的劃分。NTF技術就是對現有的傳輸模式進行再整理和重劃分，讓通信過程中的很多功能的實現不在需要依賴專門的硬件設備。降低對硬件的要求能夠進一步提升網絡的穩定性和適應性。這項技術最早是由歐洲的有關部門提出的，并且已經得到廣泛的應用。目前，研究人員正在試圖將這項技術應用到接入網中。

為了進一步提高5G網絡的流暢性和速度，研究人員正在從如下4個方面著手。（1）加強信號的功率；（2）增加信號的穩定性；（3）推薦頻段的通信模型建立；（4）提高上下行信號傳輸的效率。

為了實現信號功率的增強，Massive-MIMO和CoMP兩項技術得到應用。前者是通過增加天線的數量來增加信號的功率，后者是利用聯合信號來增加信號的功率。

為了增加信號的穩定性和提升信號的抗干擾能力，研究人員正在試圖研究新型的調制解調器。目前，部分調制解調器的設計中運用了NOMA技術。該技術是人們十分重視的一項技術，甚至有人預測該技術在下一代調制解調器中將會被廣泛的采用。該技術的主要功能是使信號的抗干擾能力得到大幅增加，實現方法是將同一資源進行分配，不同的用戶共享一個資源。這項技術的優點十分明顯，應用前景也很廣闊，但是其缺點在于實現難度大，需要復雜的接收機。因此，目前，此項技術還處于研究之中[3]。

5G的頻段大多在毫米波傳輸上。在這樣的頻段上實現無線通信，建立信道模型是有一個需要解決的技術難題。

5G網絡的發展需要綜合現有的多項通信行業的核心技術。

4 結 論

人們的生活和人類文明的發展越來越依賴于通信技術。同時，通信技術也已經滲透到了人們生活中的方方面面。未來的通信是5G時代。通過現有的實驗結論和模擬運營，人們已經意識到了5G網絡的優越性。但是，現在距離5G時代的真正來臨還有很長的一段路需要走，還有很多技術難題需要攻破。可以確定的是，在不遠的將來，5G技術將會全面普及到人們的日常生活中。