5G移動通信關鍵技術分析

彭正方

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

5G是第五代移動通信技術的簡稱，具有數據速率高、延遲低以及容量大等特點，是現階段通信行業發展的重點內容。目前5G技術產業化已經取得了初步成果，是我國新一代信息基礎建設的重要組成部分[1]。

1 5G移動通信概述

5G是近年來移動通信領域的研究熱點，它將24 GHz以上頻段的毫米波運用于移動寬帶通信，實現了更大容量且更多頻譜的新型部署場景[2]。

自2013年起，歐盟開始斥巨資研發5G相關技術。緊隨其后，韓國SUMSUNG公司宣布已成功攻克5G關鍵技術，利用64天線單元自適應陣列，在28 GHz頻段實現1Gb/s數據傳輸，通信速率比4G LTE快了近100倍。此后，各國均在持續跟進5G研究，并逐步推進公眾測試與商用[3]。

國內5G研究方面，2009年華為就開始了相關研究。2016年工信部明確提出5G將是未來新一代通信技術的主要發展方向。2018年華為與沃達豐公司合作完成第一個5G通話測試，同年發布了首款5G商用芯片巴龍5G01及終端設備。據工業和信息化部新發布的統計數據，我國已建成全球最大5G網絡，截至2020年底，開通5G基站數量超過71.8萬個。此外，5G終端市場也在快速跟進，2020年1～11月國內5G手機累計出貨已經達到了1.44億部，上市5G機型199款。

2 5G移動通信發展驅動力與關鍵技術

2.1 5G移動通信發展驅動力

5G移動通信發展的驅動力主要有兩種，一是4G技術的全面商用；二是移動數據需求呈爆炸性增長態勢，亟需開始5G技術研究。基于移動通信網絡的發展和移動數據流量的暴漲，網絡能耗、比特成本以及頻譜需求將進一步增加，而可用頻譜呈大跨度和碎片化的特點，難以實現頻譜高效利用。為解決上述挑戰，亟需發展新一代5G移動通信技術[4]。

2.2 5G移動通信關鍵技術

目前5G技術的發展路線主要分為演進型和革命型。演進型是在LTE系統的基礎上考慮后向兼容，引入增強型技術，增大系統容量，主要技術包括小型化基站相關技術。革命型是指5G網絡架構全面創新，采用新型網絡拓撲和接入網架構，核心網引入軟件定義網絡、網絡功能虛擬化以及移動內容分發網絡等[5,6]。5G通信概念模型如圖1所示。

2.2.1 超密集異構網絡部署

從2G到3G、4G，蜂窩小區的半徑呈持續縮小態勢，小區密度增加，由此實現網絡容量的快速增大。基于5G技術構建超密集蜂窩，可帶來數十倍的網絡容量增益[7]。

5G網絡架構中移動蜂窩式轉向分布式與異構式，如圖2所示。密集異構網絡支持用戶自定義部署，采用封閉式接入方式，使傳輸功率出現差異化，在通信傳輸過程中易受到干擾，對此需合理選擇干擾管理和抑制措施。針對干擾問題，目前國內主要采取兩小區協作處理方法。基于5G網絡的發展，未來會出現“多網并存”的情況，層間與層內干擾更為復雜，通信干擾的消除直接關系到通信資源的利用率。

圖2 超密集LET-B背景下異構網絡部署

2.2.2 D2D通信技術

D2D通信技術是指兩個對等的用戶節點直接進行通信的一種通信方式。由D2D通信用戶組成的分布式網絡中，每個用戶節點都能發送或接收信號。網絡的參與者共享擁有的部分硬件資源，這些共享資源可以被其他用戶直接訪問，不需要經過中間實體。蜂窩系統覆蓋范圍小、信息容量低、功耗大且組網靈活性較差。通過運用D2D通信技術，可對現有蜂窩通信進行補充，增大無線數據流量，提高通信穩定性。在完成場景標準化布置后，還需解決蜂窩通信與D2D通信的資源共享問題等。

2.2.3 MIMO通信系統

MIMO主要利用發送端和接收端之間的多天線形成通信鏈路，其無線信道自由度大，可容納更多的通信數據。在帶寬和總發送功率相同的情況下，MIMO可增大系統吞吐量，延長通信距離。基于5G技術的發展，MIMO技術得到延伸，在基站側設置大規模天線陣列，基于空分多址原理向用戶提供信息通道，從而保障用戶通信的安全性與穩定性。

2.2.4 綠色通信技術

5G通信中智能化技術的應用可在保證用戶體驗的同時，實現異構網絡的節能部署。根據工信部相關信息，預計到2025年，累計新建5G宏基站數量約為435萬座，年耗電量為1 134億千瓦時。基于此，5G通信技術未來的發展需以節能為重點，減小基站能耗，動態調整資源與傳輸功率，調節服務區內用戶量，同時優化網絡部署與拓撲結構。

3 5G移動通信未來發展趨勢

近年來，我國在5G技術方面的研究不斷深入，且取得了不少成果，未來幾年將實現5G全面覆蓋。為全面推廣應用5G技術，還需進一步加強基礎設施建設，解決實際問題，獲得最佳使用效果[8]。5G移動通信未來發展趨勢主要包括3個方面。

一是覆蓋范圍擴大。明確5G移動通信基礎設施嚴重缺失的地區，并采取相應的密閉措施為5G技術推廣提供可靠支撐，保證5G移動通信傳輸的穩定性和安全性。2021年預計再建130萬個5G基站，基站總數超200萬，覆蓋部分重點鄉鎮。

二是落實5G商用，包括5G+超高清4K/8K視頻、車聯網、智能電網、VR/AR以及智慧城市等[9,10]。其中，5G+超高清4K/8K視頻是目前最明確的發展方向，預計2022年高清視頻市場規模超2.5萬億元。此外，工業互聯網將成為5G最大行業應用場景，5G+攝像頭、AGV、移動巡檢、工控機以及無人機等有望成為新商機。

三是各種5G終端產品的研發。2021年全球5G手機出貨量預計超過5億部，以5G智能手機為運算主力的便攜式VR眼鏡等產品將掀起終端跨領域整合熱潮。

4 結 論

綜上所述，基于4G LTE技術在全球商用的成功展開以及移動數據的爆發式增長，5G技術研發與使用已處于全面推進階段。5G實現移動通信系統的平滑演進，既繼承了4G中成熟的關鍵技術，又采用大量改進的新技術，具有大流量密度、海量連接數、低時延以及低能耗等優勢，可滿足增強型移動寬帶、大規模機器間通信以及低時延通信等應用場景的需求。