5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術

朱云樂

（重慶三峽職業學院 重慶 404000）

1 引言

在科技飛速發展的背景下，移動通信技術也由原本的2G逐漸發展到5G，并且5G移動通信逐漸成為未來通信的主要發展方向。5G移動通信具有廣闊的發展前景，物聯網以及移動互聯網均屬于其主要的應用方向[1]。人工智能以及自動駕駛等新興科技的出現，都表明了5G移動通信技術在未來科技中的成功應用。5G移動通信將成為未來新一代信息基礎設施的重要組成部分，對于全球智能終端的普及以及移動互聯網的快速發展均具有促進作用。5G移動通信具有較高的頻譜利用率以及能效，其在傳輸速率以及資源利用率方面均具有突出的優勢，其應用領域也將得到進一步擴展[2]。

2 5G移動通信技術及其特點

5G移動通信技術具有突出的特點，其是在4G移動通信技術的基礎上進一步發展而來的，其可以實現相對高端的通信系統的構建。5G移動通信技術在移動通信網絡系統安全性以及靈活性提升方面均具有突出的作用，能夠有效解決4G系統當中存在的諸多不足之處。利用5G技術可以進一步提升用戶獲得的體驗，并且充分提升網絡平均吞吐速率，在這一基礎上進一步強化移動通信技術的實用性。5G移動通信技術當中不可或缺的重要組成部分為室內通信技術，有利于拓展移動通信網絡的覆蓋面，充分發揮移動通信設備在室內移動通信中的作用[3]。在發展5G移動通信技術時，應當注重網絡流量的使用情況，合理分配網絡資源，從而促進運營商運營成本的有效降低。

3 5G移動通信發展趨勢

5G移動通信技術有助于數據流量的增加、互聯網設備數目的擴大、用戶速率的提升、可靠性的提升、頻譜利用率的提高以及網絡耗能的降低[4]。根據相關的研究預測，在10年之后全球移動數據流量與現在相比會呈1 000倍增長，在未來發展階段應當提升5G移動通信技術的吞吐量，使其在繁忙時能夠保證達到100 GB/s/km2以上。近年來，智能終端的發展速度也得到了明顯的提升，未來聯網設備數量還會呈現成倍增長，經預測20年后聯網設備數量會增加至500億～1 000億，相比于4G網絡所支持的設備數量，5G網絡將會增長大約100倍，有可能會達到100萬/km2以上[5]。對于一般用戶來講，5G移動通信用戶用網速率可以提升至10 Mbit/s以上，對于比較特殊的用戶用網速率可以進一步提升至100 Mbit/s。5G移動通信網絡主要是為了向用戶提供服務，因此應當注重用戶體驗的提升，與4G移動通信網絡相比，5G移動通信網絡的時延縮短了大概5～10倍，這在一定程度上明顯提升了端對端服務的可靠性，尤其適用于關系到生命以及財產的特殊業務。5G用戶規模以及業務量必然會逐漸增多，相應的也會增加流量的使用，在未來發展階段應當對5G技術進行創新，以此來進一步提升頻率的利用率，5G的平均頻譜效率比4G網絡提升了5～10倍，能夠對用戶大流量使用導致的頻譜資源短缺問題進行有效改善。除此之外，在發展5G移動網絡時，應當堅持綠色低碳和降低能耗的原則，同時借助節能設計對網絡能耗效率進行提高，為用戶1 000倍流量需求的實現提供保障。

4 5G移動通信的若干關鍵技術

4.1 高頻段傳輸技術

現階段，移動通信系統的頻段基本上是在3 GHz以下，面對不斷增加的用戶量以及流量，頻譜資源欠缺問題將會變得越來越嚴重。在高頻段條件下，如果毫米波頻率范圍保持在28 GHz階段時，能夠使用64根天線以及波束賦形技術，最終可以將移動通信速度提升到2 km距離內1 Gbit/s。5G移動通信網絡未來發展階段也應當注重高頻段傳輸技術的進一步提升，確保可以擁有足夠的天線以及相關設備，對現階段頻譜資源短缺問題進行明顯改善。高頻段傳輸技術在具有一系列優點的同時，也存在一定的問題，比如傳輸距離比較短以及氣候條件影響比較明顯等，今后應當深入研究高頻段傳輸技術的系統設計。

4.2 多天線傳輸技術

現階段，5G移動通信網絡比較重要的研究方向包括頻譜利用率的提升。多天線傳輸技術的應用能夠對用戶之間的干擾進行有效降低，并且對無線信號所具有的覆蓋性能進行明顯改善。在今后的發展中，還應當對5G移動通信技術的節能環保性進行提升，同時滿足網絡覆蓋率提升的要求。多天線技術也由原本的2D技術逐漸發展至3D技術，能夠實現頻譜效率的提升。在源技術引入的背景下，天線數量也逐漸增加到了128根，在3D-MIMO技術的支撐下，用戶之間所存在的干擾被明顯降低，無線信號的覆蓋范圍得到明顯的改善。

4.3 同時同頻全雙工技術

同時同頻全雙工技術主要是指可以在同一時間以及同一頻率條件下，實現雙向通信的一種技術。在同時同頻全雙工技術的支撐下，5G移動通信網絡頻譜效率可以得到明顯的提高，對原有頻譜資源所存在的使用限制進行有效打破，同時也能夠促進頻譜資源應用靈活性的提升。同時同頻全雙工技術還應當具備干擾消除能力，對于傳統的TDD和FDD雙工技術所存在的技術缺陷進行有效改善，在理論層面將頻譜效率成功提升大約1倍。不過，在實際情況下應用同時同頻全雙工技術通常具有較高的難度，因此今后應當加強此項技術的研究。

4.4 基于濾波器組的多載波技術

OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）技術在頻譜效率、對抗多徑衰落、低實現復雜度方面均具有無法比擬的優勢，因此其在不同種類的無線通信系統的應用迅速提升，譬如WiMaX系統以及LTE系統的下行鏈路都成功應用了OFDM技術。但是，OFDM技術在一些方面也具有一定的缺陷，在對抗多徑衰落時必須要確保插入循環前綴，這樣會在一定程度上浪費無線資源。OFDM技術對于載波頻偏具有較明顯的敏感性，同時其峰均比也比較高。OFDM技術要求各載波應當具有相同的帶寬，并且還要求其保持同步狀態，不同載波之間還需要始終保持正交，這對頻譜使用的靈活性造成了巨大的限制。面對OFDM技術所存在的一系列問題，可以利用基于濾波器組的多載波技術（FBMC，filter-bank based multicarrier）進行解決。FBMC技術能夠根據實際需要設計原型濾波器的沖擊響應以及頻率響應，對于載波之間是否處于同步狀態也不再做嚴格的要求，可以將其應用至難以實現各用戶之間嚴格同步的上行鏈路當中。OFDM系統頻譜見圖1。

圖1 OFDM系統頻譜

4.5 超密集異構網絡技術

5G網絡應當是5G、4G以及Wi-Fi等多種無線接入技術共存的網絡體系，其中既要包括能夠負責基礎覆蓋的宏站，還應當具有低功率小站等承擔熱點覆蓋。5G網絡體系中的數量巨大的低功率節點一部分是由運營商部署經過規劃的宏節點低功率節點，但是大部分都是由用戶部署沒有經過規劃的低功率節點，最終導致網絡拓撲和特性變得越來越復雜。超密集異構網絡技術的出現以及應用，在使網絡密集化程度逐漸提高的同時，也促使網絡節點與終端之間的距離變得更近，最終明顯提升了網絡系統的功率效率、頻譜效率以及系統容量。不過，超密集異構網絡雖然具有美好前景，但是在減少節點距離的同時也引發了一定問題。為了解決超密集異構網絡中存在的一系列問題，應當充分利用與鏈路相同的頻譜及對應的技術進行無線回傳傳輸，進一步提升節點部署的靈活性以及相關部署成本的降低。密集網絡技術可以為數據流量的1 000倍提升提供技術層面的支撐，利用此項技術將移動網絡的數據流量集中于室內和熱點地區，最終為移動網絡用戶使用性能的提升以及網絡覆蓋率的改善均提供保障，在減小小區之間干擾的同時對網絡能效降低處理。

4.6 自組織網絡技術

在采用復雜的無線傳輸技術以及無線網絡架構的5G網絡系統當中，網絡管理的復雜程度會明顯增加，為了滿足5G網絡性能的迫切需要應當進一步發展網絡深度智能化，而自組織網絡技術的重要性也在變得越來越突出。運營商面臨著逐漸加劇的網絡節點自動配置以及維護任務，因此為了支持網絡節點即插即用的自配置性能，應當深入研究面向隨機部署以及超密集網絡情景的全新的自動鄰區關系技術。運用大規模的MIMO無線傳輸技術能夠進一步增加空間自由度，以此來增加天線選擇、協作節點優化以及波束優化等靈活性的提升。

5 結語

綜上所述，5G移動通信技術如今已經實現了商用，不過其仍舊處于較為初級的發展階段，在今后應當進一步加強其研究，以此來滿足不斷增長的互聯網業務需求，同時為用戶業務體驗的進一步提升提供保障。在進一步發展5G移動通信技術時，應當朝著增加數據流量、擴大聯網設備數目、提高用戶速率、提升可靠性以及降低網絡耗能等方面發展。