5G 移動通信的關鍵技術應用研究

吳 鯨

（中國鐵塔股份有限公司 北海市分公司，北京 536000）

0 引 言

我國全面建設了4G 移動通信網絡，提供了穩定的移動通信，滿足了網絡通信需求。然而，信息化時代發展下對于數據交流的傳輸速率提出較高要求，因此5G 通信技術獲得社會關注。在多年發展中，5G移動通信技術研發已完成，開始進入實用階段。商業發展過程中，5G 通信技術暴露出較多問題。為了促進5G 移動通信技術的發展，必須要獲得關鍵技術的發展。

1 5G 技術特點

5G 移動通信技術特點如下。

（1）關注用戶體驗，擴大網絡覆蓋。4G 技術加快了通信傳輸速度，5G 技術則具備強大的連接功能，因此使用人員可以隨時隨地使用設備連接網絡。

（2）5G 技術可以實現低功耗優勢[1]。4G 技術的傳輸速度快，但是對手機電池要求高。目前，不僅移動終端可以連接網絡，智能手環、智能手表也可以連接網絡。設備終端不再只關注傳輸速率，而是關注耗電量。低功耗優勢，能夠促進智能設備的開發與研制。

（3）傳輸速度快。在5G 技術發展中，熱點高容量會成為研究方向，從而消除4G 技術的流量傳輸過程的速率降低問題。在人口密度較大的地區，使用5G 技術可以優化配置傳輸速率，減少消息滯后、卡頓等問題。

（4）低時延。工業上對于可靠性、時延性要求高，5G 技術的低延遲性達到1 ms，可靠性超過99.999%，用戶最小容量達到1 Gb[2]。

（5）端到端性能。智能設備程序持續運行，設備會向搜索信息服務器發送請求，保證連接狀態，但是會影響端到端的性能，減緩信息發送與下載速度。5G 技術發展過程中，也要改善端到端性能。

2 5G 移動通信的關鍵技術

與4G技術相比，5G技術的接入區、服務區無限制，傳輸速率不會出現明顯提升趨勢。5G 網絡架構如圖1 所示。

圖1 5G 通信網絡體系

2.1 超密集異構網絡部署

為了應對數據業務的增長需求，5G 網絡架構從傳統移動蜂窩方式，逐漸轉向異構型、分布式的通信模式，網絡種類非常多。小區部署密集度高，單個小區的覆蓋范圍小。以Macro 為網絡基石，通過Relay、Femtocell 和Pico-cell 低功率基站，可以消除Macrocell 覆蓋盲區，分擔蜂窩負擔，提供高可靠和低時延性能，但此種架構的干擾影響大。封閉接入方式、用戶自定義部署、設備發送功率差異，都會產生干擾影響。層內、層間的干擾復雜，因此要做好干擾管理、干擾協調處理。3G 技術提出小區間干擾協調（Inter Cell Interference Coordination，ICIC）標準，基于頻域層、時域層、功率控制層，降低密集網絡干擾[3]。5G 網絡可以實現多網并存，多小區協作。頻譜資源的稀缺度高，缺乏充足頻段進行分配，所以在應用干擾消除方法時，應當全面提升資源效率。

5G 網絡的擬研究內容如下：第一，密集多小區場景下采用干擾協調機制，提出干擾消除方法；第二，密集多小區場景可以和頻譜高效協作，形成波束成形方法。利用超密集異構部署法，可以擴大網絡容量，這已成為國內外研究重點。

2.2 D2D 通信技術

本地廣告、社交網絡的流行發展，增加了人們對近距離數據通信的需求。蜂窩系統存在功耗、容量、覆蓋問題，靈活性不足，很難滿足不同業務的可靠性、實時性要求。所以在5G 技術體系研究中還深入探究了終端直通（Device-to-Device，D2D）通信技術。D2D 通信屬于5G 關鍵技術，能夠有效支撐、補充蜂窩通信，促進無線數據流量增長，加強可靠性和實時性。D2D 通信技術為短距離通信，可以確保數據在終端內的傳輸。

D2D 通信技術的特點在于降低干擾、節約資源、減少傳輸成本以及提升傳輸效率等。3G 技術擬定D2D 通信白皮書，深入研究干擾協調、通信控制、功率控制以及資源分配，但是D2D 通信在5G 技術中還是存在以下問題。

（1）D2D 通信的無線資源管理。關于D2D 通信模式的啟動時間、蜂窩通信資源共享、復用系統資源等問題，都會增加輔助通信系統的資源調度難度，干擾用戶的體驗度。

（2）可靠性、實時性問題。在5G 網絡體系中，通過通信可靠性和時延性，對通信性能質量進行評價。D2D 通信中，按照用戶需求和服務類型，滿足設備通信的可靠性和實時性需求，成為D2D 通信技術的重要內容。

（3）干擾抑制問題。多小區D2D 通信時，存在干擾抑制問題。資源優化配置之前，需要準確了解全局信道狀態的信息。當前，盡管基站協作技術可實現上述功能，但是能耗和精確度低下問題常見，應當制定科學的基站協作技術方案，既可以支持D2D 多小區通信分配，又可以降低能源消耗[4]。

2.3 大規模MIMO 技術

大規模大規模多進多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術，將天線放置在發送端和接收端，從而形成MIMO 通信鏈路。增加天線裝置之后，能夠擴大無線信道的自由度，擴充數據信息的容納量。4G 網絡為8 端口和多用戶模式，很難滿足頻率效率和能量效率的數量提升需求。大規模MIMO 技術，可以提升能量效率和頻譜效率。5G 技術具備巨大潛力，可以實現多內容擴展。由于方位定向天線的空間限制大，傳播時很難避免角度擴散問題，需要加大天線數量與設備數量的匹配度。利用上行導頻技術，并采用分雙工信道估計法，可以減少MIMO 內的基站天線數量限制。在5G 技術支持下，大規模MIMO 技術可以生成新架構和新部署。雖然人們采用低增益諧振天線陣列代替宏基站，但是其他部署的可行性也比較高，如農村地區水箱表面部署共形天線陣列。大規模MIMO 技術的潛力大，但基于技術實現分析，大規模MIMO 技術要通過低功耗、低成本的自治功能實現的話，發展空間非常大。

2.4 無線網絡技術

無線網絡技術可以優化傳輸技術。當5G 技術接入狀態良好時，則聯合多種無線技術。在具體應用無線網絡技術時，多層覆蓋問題較為常見。5G 技術朝著多元化方向發展，隨著移動數據流量的增長，要縮短終端和節點的距離，提升網絡功率，擴大網絡覆蓋范圍。無線網絡技術的發展前景廣闊，但節點距離短，網絡拓撲的復雜度高，因此要改進技術缺陷，實現移動通信的可持續發展。

網絡運行過程中，合理應用自組織技術，可以發揮出移動通信性能，提升網絡運行的智能化水平。網絡運行過程中既可以自主配置，處理故障問題，還可以自主維護網絡技術，優化網絡結構。如物理規劃、工作部署等，都要實現無人化值守與操作。系統運行過程中，可以自主完善并處理相關問題，人工成本低廉。5G通信技術是一種異構網絡，同時存在多種管理制度。使用自組織技術，能夠保證移動通信運行的平滑度，做好通信系統的優化工作，促使5G 網絡技術運行狀態良好。無線網絡技術的軟件定義，多處于無線網絡運行中，路由器能夠作用到中心控制器中，發揮出決策功能，高效處理網絡運行的控制集成和轉發集成問題。網絡功能處于獨立運行狀態，可以靈活控制網絡體系。利用運行軟件，能夠發揮出無線網絡技術的控制作用。網絡運行涉及控制層、應用層、基礎設施層，可以有效控制網絡節點的發揮。將軟件控制技術應用到無線網絡體系，可以充分利用路由，促進5G 通信網絡的發展。

2.5 綠色通信技術

引入智能化技術，在保證用戶體驗度的同時，將節能方案部署在異構網絡體系中。按照統計結果可知，信息技術、通信技術產業的能源消耗約為10%[5]。在無線網絡體系中，基站能源消耗超過50%，因此5G通信技術要朝著綠色化方向發展。綠色通信技術的發展，需要減少單個基站的能源消耗。基于網絡調度，確保網絡按照服務區的用戶業務量變化，動態調度資源和控制效率。同時，做好網絡部署、網絡拓撲結構的優化。在5G 通信網絡中，要考慮以下問題：第一，網絡能量的高效傳輸；第二，基于業務中心，動態分配網絡資源。

3 5G 移動通信技術的應用

3.1 新的游戲體驗

虛擬現實成為科技發展潮流，可以與其他空間的人同處于虛擬環境游戲內。虛擬現實技術的內容瓶頸多，存在內容制作和傳輸等問題。在5G技術支持下，可以將內容傳輸到虛擬現實設備。資料傳輸速度加快，用戶無需擔心設備長時間負載問題。

3.2 自動駕駛汽車

5G 網絡體系可以快速協調自動駕駛汽車。不管是在十字路口，還是與他人交談中，都可以實現中央控制器的回應。當汽車擁有大量相機、感應器時，可以持續捕捉影片畫面，發生交通事故后，可以從多角度觀察事故情況。

3.3 視頻會議

在未來發展中，5G 技術可以實現溝通視覺化。如果在與家人、朋友視頻通話時，高解析度可以實現與家人“零距離”接觸[6]。但是，當前的網絡很難提供即時通話，主要是受網絡限制，視頻畫面不太連貫。

4 5G 移動通信系統的發展展望

4.1 萬物互聯

4G 網絡的快速發展，智能家居行業發展的成熟度提升，然而行業起步晚，并且與萬物互聯的差距大。但是，5G 技術的全面化發展，可以發揮出低能耗、短時延和大流量優勢，滿足萬物互聯需求。未來，5G 技術能夠促進互聯網發展，將其應用到交通行業、自動化領域，形成萬物互聯局面。

4.2 生活云端化

5G 時代下，用戶可以隨時播放4K、8K 視頻，云技術取得突破性進展，改變社會生產、生活方式。網絡環境的速率持續提升，云盤會逐步替代硬盤，用戶不會受時間和空間限制，將大型文件傳輸到云端。5G 通信技術快速發展，明確了5G 云化發展方向，從中心云逐漸過渡到邊緣云，形成移動設備云。智能設備普及率提升后，人們開始依賴移動數據業務，為了加快網絡速度，采用無線網絡信息提供關聯性服務，提升用戶的體驗感。此外，5G 通信技術可以存儲大量資源，從移動設備云內下載、存儲資源。

4.3 實現智能交互

5G 技術的數據吞吐量、數據處理效率高，可以實現人工智能交互、數據交換。5G 技術的時延性低，可以應用于無人駕駛、遠程醫療、虛擬現實以及智慧城市等領域。未來，智能交互應用范圍持續擴大，涉及電器、工程、門鎖以及汽車監控等領域[7]。社會各界對于5G技術的關注度高，將技術應用到城市監管、社會建設等領域，實現真正的智能交互，為社會經濟發展提供助推力。

5 結 語

5G 通信網絡改變了傳統通信模式，凸顯出信號傳輸、網絡連接優勢，提升智能設備使用率。5G 技術的發展潛力大，各領域都開始引入5G 技術，能夠推動我國通信產業的發展。在今后發展中，5G 技術會高度關注人際交往，為用戶提供優質體驗，逐步朝著綠色通信方向發展。