試論5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展及其特點(diǎn)

金艷 林勇

1. 山東省軍區(qū) 山東 濟(jì)南 250099；

2. 濟(jì)南廣播電視臺(tái) 山東 濟(jì)南 250000

1 移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展階段

移動(dòng)通信技術(shù)從1896年誕生之日起，先后經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段。

1G技術(shù)，于1986年誕生，采用模擬信號(hào)傳輸。其網(wǎng)絡(luò)傳輸速率是2.4kbit/s。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)通信。缺點(diǎn)是語(yǔ)音品質(zhì)低、信號(hào)不穩(wěn)定、覆蓋范圍不夠全面、安全性差、易受干擾等。主要通信系統(tǒng)為AMPS、NMT、TACS。

2G技術(shù)，即九十年代開(kāi)始的語(yǔ)音通信數(shù)字化階段，將語(yǔ)音信號(hào)變成數(shù)字編碼進(jìn)行傳輸，通過(guò)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行解碼成語(yǔ)音，從而實(shí)現(xiàn)通話。其數(shù)據(jù)傳輸速率是9.6～14.4kbit/s。實(shí)現(xiàn)了短信、來(lái)電顯示、呼叫追蹤和手機(jī)上網(wǎng)。主要通信系統(tǒng)是GSM、CDMA、TDMA。

3G技術(shù)，2000年出現(xiàn)的3G技術(shù)支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通信技術(shù)，傳輸速率達(dá)384kbit/s。實(shí)現(xiàn)全球范圍無(wú)縫漫游、高頻寬和穩(wěn)定傳輸，智能手機(jī)出現(xiàn)、移動(dòng)通信設(shè)備革新。主要的4種標(biāo)準(zhǔn)為：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、WiMAX。

4G技術(shù)，于2010年后出現(xiàn), 傳輸速率最大為100Mbit/s，主要系統(tǒng)是基于OFDM的LTE。LTE包括用于成對(duì)頻譜和非成對(duì)頻譜的TDD-LTE和FDD-LTE。

5G技術(shù)，2019年是5G的商用元年。它融合了多種無(wú)線接入技術(shù)和現(xiàn)有無(wú)線接入技術(shù)集成，是第一個(gè)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的通信技術(shù)。它主要包括增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬、海量物聯(lián)網(wǎng)通信和高可靠低時(shí)延通信三大業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景。

2 5G技術(shù)的特點(diǎn)

5G作為第五代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展高峰，與之前的4G相比有了很多改變和提升。具體有以下幾點(diǎn)：

一是高速率。數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)10Gbit/s，基站峰值不低于20Gbit/s，比當(dāng)前的有線互聯(lián)網(wǎng)要快，比4GLTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)快100倍。

二是低功耗。5G網(wǎng)絡(luò)使用eMTC和NB-IoT技術(shù)。eMTC增強(qiáng)型機(jī)器類型通信。它還有一個(gè)名字，叫作LTE-M，是基于LTE協(xié)議演進(jìn)而來(lái)的，能使物與物之間更好地進(jìn)行通信，最大限度地降低成本。

三是低時(shí)延。5G對(duì)時(shí)延的要求控制在1～10ms,有時(shí)甚至低于1毫秒。4G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延為20～80ms。較低的網(wǎng)絡(luò)延遲，更快的響應(yīng)時(shí)間，5G網(wǎng)絡(luò)不僅為手機(jī)提供服務(wù)，而且還將成為一般性的家庭和辦公網(wǎng)絡(luò)提供商，與有線網(wǎng)絡(luò)提供商競(jìng)爭(zhēng)。

四是泛在網(wǎng)。泛在網(wǎng)是指在社會(huì)生活中的每個(gè)角落都有網(wǎng)絡(luò)存在[1]。5G是一個(gè)端到端的生態(tài)系統(tǒng)，融合多個(gè)業(yè)務(wù)、多種技術(shù)，為用戶帶來(lái)更智能化的生活，打造一個(gè)全移動(dòng)和全連接的社會(huì)，在社會(huì)生活中的每個(gè)角落都有網(wǎng)絡(luò)存在，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、萬(wàn)物互聯(lián)。泛在網(wǎng)是全方位實(shí)現(xiàn)5G的基礎(chǔ)，包含廣泛覆蓋和縱深覆蓋兩方面。

3 5G使用的主要技術(shù)

5G與之前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，有了極大的改變，整合了大量技術(shù)，是眾多技術(shù)形成的一個(gè)“綜合體”。

一是高頻段傳輸。高頻段傳輸是5G的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。5G的頻率分為FR1和FR2兩個(gè)頻段。FR1也叫Sub6G，頻率范圍在450～6000MHz；FR2又稱為Above-6GHz或毫米波，頻率范圍在24250～52600MHz。FR1最大支持100Mbps帶寬，主要作為基礎(chǔ)覆蓋頻段，優(yōu)點(diǎn)是頻率低，繞射能力強(qiáng)，覆蓋效果好。FR2最大支持400Mbps帶寬，優(yōu)點(diǎn)是超大帶寬，頻譜干凈，干擾較小。

二是微基站。從1G到5G,電磁波頻段越來(lái)越高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來(lái)越大，電磁波在傳輸?shù)倪^(guò)程中衰減也越來(lái)越大。這樣就需要更多的基站，同樣一個(gè)區(qū)域，一個(gè)4G基站就可以覆蓋的，5G基站就需要2～3個(gè)基站，甚至更多才能達(dá)到同樣的覆蓋效果。基站體型變得越來(lái)越小。覆蓋范圍也變小，通常覆蓋10米到幾百米的范圍。

三是新型多天線傳輸（Massive MIMO）。Massive MIMO技術(shù)通過(guò)大規(guī)模天線陣列以及波束賦形技術(shù)對(duì)每個(gè)用戶分配專用的電波[2]。MIMO就是多進(jìn)多出，即多根天線發(fā)送，多根天線接收。毫米級(jí)5G天線可以內(nèi)置在手機(jī)里，甚至可以同時(shí)內(nèi)置多根天線，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模多天線傳輸。基站天線以“陣”的形式出現(xiàn)，即天線陣列。天線之間最理想的距離是半個(gè)波長(zhǎng)以上。多天線傳輸效率比較高，但不能距離太近，否則會(huì)相互干擾，影響信號(hào)的收發(fā)。波束賦形通過(guò)調(diào)整天線陣列中每個(gè)陣元的加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生具有指向性的波束來(lái)獲得明顯的陣列增益。在擴(kuò)大覆蓋范圍、改善邊緣吞吐量以及干擾抑止等方面有很大的優(yōu)勢(shì)。

四是D2D通信。D2D通信是一種基于蜂窩系統(tǒng)的近距離數(shù)據(jù)直接傳輸技術(shù)。D2D會(huì)話的數(shù)據(jù)直接在終端之間進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)短距離直接通信，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，時(shí)延低，功耗小。另外端對(duì)端快速傳輸，使終端能夠廣泛分布，這樣眾多終端不用擠在一個(gè)基站里，從而提升頻譜效率，降低終端發(fā)射功率，有效節(jié)約大量的空中資源，同時(shí)也極大地減輕了基站的傳輸壓力。

五是超密集組網(wǎng)。5G網(wǎng)絡(luò)超密集組網(wǎng)。基站間距縮小，應(yīng)用各種頻段資源、無(wú)線接入方式及類型的基站組成宏微異構(gòu)的超密集組網(wǎng)架構(gòu)。主要通過(guò)宏基站+ 微基站及微基站+ 微基站兩種模式來(lái)實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度。超密集異構(gòu)組網(wǎng)有效改善了網(wǎng)絡(luò)覆蓋，擴(kuò)展了系統(tǒng)容量，提高網(wǎng)絡(luò)的功率和頻譜效率，增強(qiáng)了業(yè)務(wù)在不同接入技術(shù)和各覆蓋層次間的靈活性。

六是多RAT技術(shù)融合。5G網(wǎng)絡(luò)是由多項(xiàng)技術(shù)共同組合在一起的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。各種無(wú)線接入技術(shù)的融合，需要通過(guò)集中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制能力實(shí)現(xiàn)。它主要包括：智能接入控制與管理、多RAT無(wú)線資源管理、協(xié)議與信令優(yōu)化以及多制式連接技術(shù)。通過(guò)RAT技術(shù)融合，5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)在一個(gè)終端上接入多個(gè)不同制式的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、終端上多流并行傳輸，對(duì)多網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線資源進(jìn)行聯(lián)合管理與優(yōu)化、共享和分配以及業(yè)務(wù)在不同接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分流和匯聚。