5G網(wǎng)絡的關鍵技術及發(fā)展趨勢

◆陳俞凱 宋 灝

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5G網(wǎng)絡的關鍵技術及發(fā)展趨勢

◆陳俞凱 宋 灝

（空軍預警學院 湖北 430019）

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，移動數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出爆炸式增長，各行各業(yè)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)需求必然會對傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡帶來巨大挑戰(zhàn)。目前，5G網(wǎng)絡即第五代移動通信系統(tǒng)已成為下一步研究與發(fā)展的重點，但其技術發(fā)展尚未成熟。2015年6月24日，國際電信聯(lián)盟公布5G技術標準化時間表，5G技術的正式名稱為IMT-2020,5G標準將在2020年制定完成?；诖?，本文結合國內(nèi)外移動通信發(fā)展的最新趨勢，概括性的介紹了5G網(wǎng)絡的關鍵技術并展望了5G網(wǎng)絡未來的發(fā)展趨勢。

5G；關鍵技術；發(fā)展趨勢

0 前言

自20世紀70年代以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，移動通信技術不斷提高，在人們生活中發(fā)揮的作用越來越大。然而現(xiàn)階段我們所使用的4G通信技術實質上并沒有脫離以前的通信技術，只是在傳統(tǒng)通信技術的基礎上利用了一些新的通信技術，來提高無線通信的網(wǎng)路功率和功能。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的不斷增長，智慧城市，智能電網(wǎng)等概念相繼提出，4G通信技術越來越無法滿足各種場景下用戶對移動通訊的需求，5G移動通訊技術的研究應運而生。5G作為4G的延伸，是面向2020年以后移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)，將會是一個真正意義上的融合網(wǎng)絡，提供人與人、人與物、物與物之間高速,安全和自由的聯(lián)通。與4G相比，5G將具有超高的頻譜利用率和能效，數(shù)據(jù)傳輸率和資源利用率也會得到較大提升，并以低成本、低耗能、安全可靠以及更好的無線覆蓋性能帶來更優(yōu)越的用戶體驗。

1 5G網(wǎng)絡關鍵技術

移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展使5G的開發(fā)成為國內(nèi)外通信領域的研究熱點，但關鍵技術仍在研發(fā)階段，其概念和技術也尚未形成統(tǒng)一標準。依據(jù)目前移動通訊技術的發(fā)展現(xiàn)狀，本文將從無線傳輸技術和無線網(wǎng)絡技術兩大方面介紹5G網(wǎng)絡的關鍵技術。

1.1 無線傳輸技術

（1）大規(guī)模MIMO無線傳輸技術

所謂大規(guī)模MIMO（Massive MIMO），就是多用戶多入多出技術(MU-MIMO)的升級。為了提升無線信號的傳輸質量，在傳統(tǒng)MIMO技術中，會采用多個天線將無線信號進行同步收發(fā)。而大規(guī)模MIMO技術會在基站端布置幾百根天線（128根或者256根甚至更多），對幾十個目標進行無線信號收發(fā)，使空間資源充分挖掘，從而有效利用頻帶資源并提升網(wǎng)絡容量。大規(guī)模MIMO并不只是簡單的擴增天線數(shù)量，當天線的數(shù)量趨于很大（無窮）時，信道之間趨于正交，其系統(tǒng)性能越穩(wěn)定。

使用大規(guī)模MIMO的好處，不僅能大幅度提高網(wǎng)絡容量，還在于在使用過程中其功率將會大大減少。同時，與單天線傳輸相比，幾百根天線組成幾百個相互獨立的信道，這就使得通信系統(tǒng)變得更加易于處理。因此，大規(guī)模MIMO技術在5G中的運用至關重要。但是，要想發(fā)揮大規(guī)模MIMO技術理論上的全部性能，還需要突破信道模型、容量和傳輸技術性能分析、預編碼技術、信道估計與信號檢測技術等方面的瓶頸。

（2）全雙工技術

全雙工（Full Duplex）技術是在微處理器與外圍設備之間采用發(fā)送線和接受線各自獨立的方法，可以使數(shù)據(jù)在兩個方向上同時進行傳送操作。簡單來說，就是在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時也能接收數(shù)據(jù)，兩者同時進行。

理論上全雙工技術可以大幅度提高頻譜利用率，減少時延，以便于5G系統(tǒng)最大程度上使用無線頻譜資源。但是實現(xiàn)全雙工技術的運用仍有關鍵性的一點還未突破——如何消除自干擾，自干擾是由于發(fā)送信號和接受信號之間的差異過大而產(chǎn)生的。目前已有多個研究團隊致力于該難題研究并提出了一些改進技術。無容置疑的是，一旦全雙工技術發(fā)展成熟并運用，將會促成5G網(wǎng)絡技術的大飛躍。

1.2無線網(wǎng)絡技術

（1）超密集異構網(wǎng)絡技術

據(jù)估算，由于移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，設備數(shù)和用戶數(shù)據(jù)大量增長，越來越多的智能終端接入互聯(lián)網(wǎng)，2020年的數(shù)據(jù)流量將比2010年增長1000倍，而使用超密集異構網(wǎng)絡技術可以充分滿足大數(shù)據(jù)的業(yè)務需求。

超密集異構網(wǎng)絡技術通過在宏站覆蓋區(qū)內(nèi)增加站點10倍以上的無線節(jié)點，拉近終端與節(jié)點間距離，使功率效率和頻譜效率提高并擴大系統(tǒng)容量，從而為更多的用戶提供更穩(wěn)定的服務。雖然超密集異構網(wǎng)絡技術在5G中具有較大的運用空間，但我們已知5G網(wǎng)絡通信并不是一種全新的無線接入技術，而是在原有4G,3G等無線接入技術演進的基礎上，增加一些新的無線接入技術，因此，由于節(jié)點間距的縮短，密集的網(wǎng)絡部署會產(chǎn)生共享頻譜資源干擾，不同覆蓋層次間的干擾等。同時，無線節(jié)點的增多也會增加超密集異構網(wǎng)絡部署的難度和成本。

（2）自組織網(wǎng)絡技術

在傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡連接通常有固定的網(wǎng)絡設備如基地站的支持，需要大量的人力與物力投入，迫使運營商投入大量建設成本和運營成本。而自組織網(wǎng)絡不需要固定設備支持，其移動終端仍可以通過無線連接進行通信或者作為單獨的網(wǎng)絡獨立工作。

自組織網(wǎng)絡技術無需基礎設施的特點，有助于大幅削減5G網(wǎng)絡的商用成本，快速擴大5G網(wǎng)絡的覆蓋率，并使移動終端客戶節(jié)約使用成本，提高用戶交互體驗的滿意度提供了可能。

（3）D2D通信

D2D（Device-to-Device）通信是一種在蜂窩系統(tǒng)的基礎上，允許終端之間不經(jīng)網(wǎng)絡中轉直接進行通信的近距離數(shù)據(jù)傳輸技術，它能夠增加蜂窩通信系統(tǒng)頻譜效率，降低終端發(fā)射功率，提高系統(tǒng)性能并帶來更豐富的通信模式以提升用戶體驗。因此，D2D通信多運用于應急通信、物聯(lián)網(wǎng)增強、室內(nèi)定位等方面，如此廣闊的市場前景，使D2D通信在5G網(wǎng)絡的演進中受到廣泛關注。

與此同時，D2D通信的實現(xiàn)仍需要考慮一些問題，例如，一旦終端用戶之間的距離過遠，則無法實現(xiàn)直接通信，又或者如何進行蜂窩模式和D2D模式的切換以最大程度的發(fā)揮無通信系統(tǒng)的全部性能。不僅如此，怎樣對D2D網(wǎng)絡進行功率控制和干擾協(xié)調也值得深入研究。

（4） M2M通信

5G移動通信系統(tǒng)是一個融合網(wǎng)絡，物聯(lián)網(wǎng)是其中的一個重要組成部分。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)，即在以互聯(lián)網(wǎng)為核心和基礎上擴展和延伸到物品和物品之間的信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和演進是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)技術已實現(xiàn)智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術的運用。

M2M通信作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術之一，是指在傳統(tǒng)的機器上通過安裝傳感器、控制器等來賦予機器以“智能”的屬性，從而實現(xiàn)機器與機器間的通信交流。目前我們所使用的移動支付、自動售貨、物流管理系統(tǒng)等，都是通過M2M通信技術實現(xiàn)的。科學技術的發(fā)展使機器在越來越多的領域取代人力資源，M2M通信使機器根據(jù)程序主動進行通信分析，數(shù)據(jù)做出選擇并完成指令。因此M2M作為機器之間一種智能化，交互式的通信，有助于取代人力操控實現(xiàn)智能管理和服務，使生產(chǎn)、生活、工作、學習更加方便。

2 5G網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢

5G網(wǎng)絡憑借其超高的頻譜利用率和能效、傳輸速率和資源利用率，以及其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統(tǒng)安全和用戶體驗的顯著提高等特點，成為世界各國和通信巨頭爭相研發(fā)的對象。歐盟相繼啟動5G PPP和METIS等重大項目，投入研發(fā)經(jīng)費超過14億歐元；韓國發(fā)布5G國家戰(zhàn)略，擬投入15億美元研發(fā)資金并計劃與2018年開展5G預商用試驗：日本成立了5G移動推進會（5GMF），計劃在2020東京奧運會前提供5G商用服務：美國4G Americas啟動5G研究，Verizon成立5G技術論壇。我國于2013年成立了面向5G網(wǎng)絡發(fā)展的IMT-2020推進組，將這一新一代移動通信技術列為國家科技重大專項，入選“863”計劃，并與歐美日韓5G推進組織簽署五方合作備忘錄MoU，力爭在2020年實現(xiàn)5G 商用。

5G移動通信的使用勢必會帶來通信領域的革新。5G網(wǎng)絡可以高速穩(wěn)定的用于連續(xù)廣域覆蓋場景、熱點高容量場景、低功耗大連接場景和低時延高可靠場景等，加快研發(fā)步伐，盡快實現(xiàn)5G移動通信的商用，搶先占領國際市場成為我國信息技術產(chǎn)業(yè)與企業(yè)的發(fā)展方向。不僅如此，5G網(wǎng)絡的研發(fā)除了獲取商業(yè)利潤，其重要意義還在于取得國際通信領域的話語權和領導權，擴大我國移動通信的國際影響力，提高國家競爭的軟實力。

3 結束語

根據(jù)相關規(guī)劃，5G移動通信系統(tǒng)將在2020后全面投入商用，在滿足互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求的同時提供了更優(yōu)越的用戶體驗，提高了人們的生活質量。在生產(chǎn)等方面，5G網(wǎng)絡更是由于其功耗低的特點成為一種綠色智能，響應了可持續(xù)發(fā)展的口號。

目前，各國都在5G研發(fā)上投入巨大資金，力爭在該領域取得領先地位。本文從5G網(wǎng)絡研發(fā)的背景入手，介紹了5G移動通信技術的中的關鍵技術及其發(fā)展趨勢和前景，隨著相關技術的不斷發(fā)展成熟，期待5G網(wǎng)絡會在經(jīng)濟、政治、軍事、教育、醫(yī)學等更多領域發(fā)揮其作用。

[1]張平，陶運錚，張治.5G若干關鍵技術評述，2016.

[2]尤肖虎，潘志文等.5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關鍵技術.中國科學，2014.

[3]張勉.移動通信技術的發(fā)展歷史及趨勢.網(wǎng)絡與通信，2010.

[4]David Boswarthick M2M Communications:A Systems Approach，2013.