5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)與展望

許中堂

【摘要】第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）是面向2020年之后的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，其技術(shù)的研發(fā)仍處于探索階段。結(jié)合國(guó)內(nèi)外移動(dòng)通信發(fā)展的最新趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展要求、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】5G；移動(dòng)通信；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展趨勢(shì)；無(wú)線傳輸技術(shù)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

Key Technologies and Prospects of 5G Mobile Communication

Xu Zhong-tang

（Shaanxi Tianyuan Communication Planning and Design Consulting Co.， LtdXianShanxi710000）

【Abstract】The 5th generation mobile communication system （5G） is a new generation mobile communication system after 2020， and its technology research and development is still in the exploratory stage. Combined with the latest development of mobile communications at home and abroad， through the development of 5G mobile communication technology requirements， key technologies and development trends in the future.

【Key words】5G；Mobile communication；Key technology；Development trend；Wireless transmission technology；Wireless network technology

1. 概述

（1）隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)也在突飛猛進(jìn)第發(fā)展。從2G到3G，再到當(dāng)前的4G，短短幾年時(shí)間移動(dòng)通信技術(shù)就達(dá)到了質(zhì)的飛躍。各種類(lèi)型的通信技術(shù)有著各自的發(fā)展階段和技術(shù)特點(diǎn)。接下來(lái)的5G通信技術(shù)是發(fā)展的必然，有什么樣的創(chuàng)新技術(shù)，將成為人們對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展和期望的關(guān)注點(diǎn)。

（2）與前幾代移動(dòng)通信相比，第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）的業(yè)務(wù)提供能力將更加豐富，而且，面對(duì)多樣化場(chǎng)景的差異化性能需求，5G很難像以往一樣以某種單一技術(shù)為基礎(chǔ)形成針對(duì)所有場(chǎng)景的解決方案。我國(guó)IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布的5G概念白皮書(shū)從5G愿景和需求出發(fā)，分析歸納了5G主要技術(shù)場(chǎng)景、關(guān)鍵挑戰(zhàn)和適用關(guān)鍵技術(shù)，提取了關(guān)鍵能力與核心技術(shù)特征并形成5G概念。2015年6月，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）將5G正式命名為IMT-2020并且把移動(dòng)寬帶、大規(guī)模機(jī)器通信和高可靠、低時(shí)延通信定義為5G主要應(yīng)用場(chǎng)景，如圖1所示。圖2展示了不同應(yīng)用場(chǎng)景下不同的技術(shù)要求。5G不再單純地強(qiáng)調(diào)峰值速率，而是綜合考慮8個(gè)技術(shù)指標(biāo)：峰值速率、用戶體驗(yàn)速率、頻譜效率、移動(dòng)性、時(shí)延、連接數(shù)密度、網(wǎng)絡(luò)能量效率和流量密度。

（3）國(guó)際電信聯(lián)盟在今年6月結(jié)束的ITU-RW P5D第22次會(huì)議上，確定了第五代移動(dòng)通信即5G技術(shù)的發(fā)展時(shí)間表，將征集候選技術(shù)，在2019年進(jìn)行技術(shù)評(píng)估，繼而選擇關(guān)鍵技術(shù)，最后制定標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)將在2020年正式商用，未來(lái)將成為連接所有行業(yè)和生態(tài)圈的底層基礎(chǔ)設(shè)施。

2. 技術(shù)特點(diǎn)

2.1根據(jù)移動(dòng)通信的發(fā)展規(guī)律，5G將具有超高的頻譜利用率和能效，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動(dòng)通信提高一個(gè)量級(jí)或更高，其無(wú)線覆蓋性能、傳輸時(shí)延、系統(tǒng)安全和用戶體驗(yàn)也將得到顯著的提高。5G移動(dòng)通信將與其他無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)密切結(jié)合，構(gòu)成新一代無(wú)所不在的移動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)，滿足未來(lái)10年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍的發(fā)展需求。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也將進(jìn)一步擴(kuò)展，對(duì)海量傳感設(shè)備及機(jī)器與機(jī)器（M2M）通信的支撐能力將成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一，未來(lái)5G系統(tǒng)還須具備充分的靈活性，具有網(wǎng)絡(luò)自感知、自調(diào)整等智能化能力，以應(yīng)對(duì)未來(lái)移動(dòng)信息社會(huì)難以預(yù)計(jì)的快速變化。

2.2移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為5G移動(dòng)通信提供了動(dòng)力基礎(chǔ)。

2.2.1移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將成為未來(lái)各種技術(shù)的基礎(chǔ)性平臺(tái)。當(dāng)前的移動(dòng)通信技術(shù)和無(wú)線技術(shù)將成為5G通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，但有著更高的通信傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)效率的要求。未來(lái)5G技術(shù)發(fā)展方向?qū)⒃谝韵氯齻€(gè)方面得到提升：

（l）無(wú)線傳輸效率；

（2）通信系統(tǒng)的智能化和系統(tǒng)吞吐率；

（3）無(wú)線通信頻率資源。

2.2.2在科學(xué)信息技術(shù)新的發(fā)展和變革時(shí)期，5G技術(shù)的發(fā)展具有以下特點(diǎn)：

（1）更加注重用戶的體驗(yàn)，提高和改善通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、吞吐效率及3D等能力，將成為5G性能的重要指標(biāo)；

（2）完善和健全網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多面、多用戶多無(wú)線，提高系統(tǒng)性能；

（3）5G技術(shù)將實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的無(wú)線信號(hào)覆蓋，優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)；

（4）充分利用高頻段頻譜資源，實(shí)現(xiàn)5G的普遍廣泛應(yīng)用；

（5）可靈活化的配置5G移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)通信運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)實(shí)時(shí)的流量動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，降低成本和消耗。

3. 關(guān)鍵技術(shù)

下面對(duì)業(yè)界目前十分關(guān)注的5G關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：

3.1高頻段傳輸技術(shù)。 隨著移動(dòng)終端用戶量的不斷增加，頻譜資源變得越來(lái)越稀缺，但是如果通過(guò)高頻段傳輸就可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。目前移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻段主要在3GHz以內(nèi)，但是如果采用高頻段帶寬就會(huì)達(dá)到273.5GHz，這樣不僅通信設(shè)備的尺寸要小很多，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)短距離內(nèi)的高速通信，滿足用戶容量、速率等多方而的需求。

3.2多天線傳輸技術(shù)。 多天線傳輸技術(shù)是目前5G技術(shù)中唯一需要重點(diǎn)研究的方而，它能夠?qū)崿F(xiàn)從二維到三維、從無(wú)源到有源、從高階多輸入多輸出到大規(guī)模陣列的發(fā)展，能夠充分提高頻譜利用率，預(yù)計(jì)至少應(yīng)該在15倍以上。

3.3同時(shí)同頻全雙工技術(shù)。 由于同時(shí)同頻全雙工技術(shù)能夠在相同的物理信道上對(duì)兩個(gè)方向的信號(hào)進(jìn)行傳輸，因而也被稱為是高效的頻譜效率技術(shù)。它能夠消除通信雙工節(jié)點(diǎn)自身發(fā)射機(jī)信號(hào)的干擾，既可以發(fā)射信號(hào)機(jī)信號(hào)，又可以接受另一節(jié)點(diǎn)的同頻信號(hào)，這樣的話就能夠有效地提升頻譜效率，使移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)更加具有靈活性。

3.4設(shè)備間自接通信技術(shù)。 在5G網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，用戶的規(guī)模、數(shù)據(jù)的流量都將會(huì)大幅地增加，以傳統(tǒng)基站模式為中心的組網(wǎng)方式顯然已經(jīng)不能滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，而設(shè)備間自接通信的技術(shù)正好可以實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有基站的情況下也能有效運(yùn)轉(zhuǎn)，并且還開(kāi)拓了接入方式和網(wǎng)絡(luò)連接。

3.5密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的目標(biāo)是4G的1000倍，想要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要應(yīng)用兩種技術(shù)：

（1）布置大規(guī)模的天線在宏基站處用來(lái)獲得室外空間增益；

（2） 通過(guò)布置密集的網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足室內(nèi)外的數(shù)據(jù)傳輸需求，由此可見(jiàn)，5G將會(huì)采用更加密集的方案，將會(huì)部署超過(guò)200個(gè)以上扇區(qū)。

3.6新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)。 未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將會(huì)呈現(xiàn)扁平化、低成本、低時(shí)延、易維護(hù)等特點(diǎn)，當(dāng)前的研究方向主要還集中在C-RAN和云架構(gòu)，C-RAN屬于一種新型無(wú)線接入架構(gòu)，云架構(gòu)指的是基于云計(jì)算大規(guī)模協(xié)作的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3.7智能化技術(shù)。 5G網(wǎng)絡(luò)是由大型服務(wù)器組成的云計(jì)算平臺(tái)，主要通過(guò)具有數(shù)據(jù)減緩功能的路由器和交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接基站，采用宏基站能夠?qū)崿F(xiàn)云計(jì)算存儲(chǔ)功能、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、處理時(shí)效性強(qiáng)的數(shù)據(jù)、處理多樣化的業(yè)務(wù)、連接方式的多樣化等功能，全而實(shí)現(xiàn)信息通信技術(shù)的智能化。

4. 未來(lái)展望

（1）目前，世界各國(guó)針對(duì)未來(lái)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)的可行性研究、標(biāo)準(zhǔn)化以及產(chǎn)品發(fā)展方面進(jìn)行了大量的投入，5G的發(fā)展需要在統(tǒng)一的框架下進(jìn)行全球范圍內(nèi)的協(xié)調(diào)。同時(shí)，在5G通信系統(tǒng)中，大規(guī)模多天線和信道建模等不斷研究和創(chuàng)新，不僅能夠有效改善無(wú)線頻譜的利用效率，而且加快了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率并支持更多終端的接入。為了應(yīng)對(duì)未來(lái)信息社會(huì)高速發(fā)展的趨勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備智能化的自感知和自調(diào)整能力，C-RAN、 D2D等技術(shù)的研究正是出于這一目的，并且高度的靈活性也將成為未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)必不可少的特性之一。同時(shí)，綠色節(jié)能也將成為5G發(fā)展的重要方向，網(wǎng)絡(luò)的功能不再以能源的大量消耗為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線移動(dòng)通信的可持續(xù)發(fā)展。

（2）未來(lái)10年內(nèi)，移動(dòng)通信將發(fā)生翻天覆地的變化。目前，4G剛剛部署不久，還將持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間商用。作為面向2020年之后產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新一代移動(dòng)通信技術(shù)，5G在提高大帶寬、解決萬(wàn)物互連、實(shí)現(xiàn)更可靠和更低時(shí)延通信方面具有重要影響。2016年，5G技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，3GPP已經(jīng)在2016年開(kāi)始了5G標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)研，后續(xù)5G技術(shù)方案征集、標(biāo)準(zhǔn)化工作等也會(huì)緊鑼密鼓地開(kāi)展。

（3）5G是一個(gè)融合的網(wǎng)絡(luò)，也是一個(gè)更加復(fù)雜和密集的網(wǎng)絡(luò)。5G的支持遠(yuǎn)超3G、 4G網(wǎng)絡(luò)所滿足的場(chǎng)景、數(shù)據(jù)量及設(shè)備接入量，實(shí)現(xiàn)這一網(wǎng)絡(luò)需要技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。此外，5G也將更全方位地注重用戶體驗(yàn)，將根據(jù)不同用戶的個(gè)性化需求智能部署，實(shí)現(xiàn)用戶在任何時(shí)問(wèn)、任何地點(diǎn)都能夠方便、快捷地接入。同時(shí)，5G技術(shù)的未來(lái)不僅在于數(shù)據(jù)傳輸速度的進(jìn)一步提升，更在于它是人類(lèi)能力的延伸，周?chē)囊磺形矬w都處于實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，能夠互相感知交互。

5. 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合5G關(guān)鍵的無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行探討，將5G移動(dòng)通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行明確化，促進(jìn)5G技術(shù)的實(shí)質(zhì)性發(fā)展。

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