5G移動通信發(fā)展趨勢與關(guān)鍵技術(shù)的探討

文｜王佳，李卓，楊柳，李丹雪

5G移動通信發(fā)展趨勢與關(guān)鍵技術(shù)的探討

文｜王佳，李卓，楊柳，李丹雪

在通信技術(shù)發(fā)展過程中，短短二十年中國的移動網(wǎng)絡(luò)從無到有，從之前的模擬信號到現(xiàn)在的4G網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)和移動網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為和大家生活娛樂息息相關(guān)的東西。移動網(wǎng)絡(luò)雖然看不見摸不著，但是移動上網(wǎng)、通話以及熱點(diǎn)都離不開它。10余年移動通信技術(shù)的更新?lián)Q代速度明顯加快，在移動通信發(fā)展的過程中，通信技術(shù)不僅有了質(zhì)的改變，每一代移動通信技術(shù)的更新，也都吻合了當(dāng)時社會發(fā)展的需求，有鮮明的時代特征。在當(dāng)前4G移動通信技術(shù)已經(jīng)普及的時代，移動通信技術(shù)的下一步發(fā)展方向是什么？通信技術(shù)的創(chuàng)新在哪里？人們對于未來5G通信技術(shù)的期待和關(guān)注點(diǎn)是什么？這些都對5G商用有著現(xiàn)實(shí)的意義。所以，對于5G移動通信發(fā)展的趨勢以及其關(guān)鍵技術(shù)的探討和研究，對于5G通信技術(shù)的進(jìn)步有著積極的意義。

一、5G移動通信的簡介

5G又稱為第五代移動通信系統(tǒng)，根據(jù)相關(guān)專業(yè)人士的預(yù)測，5G是未來10年移動通信技術(shù)發(fā)展的主要方向。因?yàn)?G技術(shù)對于頻譜的利用率和通信效能有了質(zhì)的提升，因此，在頻率資源利用效率以及通信傳輸速度等方面，與4G技術(shù)相比較，提升十分明顯。5G是一個端對端的生態(tài)系統(tǒng)，可帶來一個全面移動和聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備。通過由可持續(xù)商業(yè)模式開啟的、具備連貫體驗(yàn)的現(xiàn)有和新型的用例，它增強(qiáng)了面向消費(fèi)者合作者的價值創(chuàng)造。基本上講，LTE-A是6GHz以下5G無線電接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）的基礎(chǔ)，而從6GHz到100GHz的頻率則會同時進(jìn)行新技術(shù)的探索。就拿MIMO來說，5G將該技術(shù)升級成了Massive MIMO，當(dāng)中的天線配置從16x16猛增至256x256，這將會帶來無線網(wǎng)絡(luò)速度和覆蓋的飛躍。5G率先利用感知無線電技術(shù)，讓網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施自動決定提供頻段的類型，分辨移動和固定設(shè)備，在特定時間內(nèi)適配當(dāng)前狀況。5G移動通信還須強(qiáng)的靈活性，可實(shí)現(xiàn)自動化和智能化的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整。

5G移動通信主要特征：（1）可靠性改善明顯。（2）頻譜利用效率大幅提高。在5G技術(shù)中，較好的改善了4G移動通信中頻譜短缺問題，高頻段所具有的頻譜資源被較好的利用，大大提高頻譜的利用效率。（3）時延也大大縮短；（4）進(jìn)一步設(shè)備能源消耗。5G移動通信中更加重視能源節(jié)約，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了了專門節(jié)能設(shè)計。

二、5G移動通信的發(fā)展趨勢

移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展是5G移動通信進(jìn)步的動力基礎(chǔ)。在網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展時期，移動互聯(lián)網(wǎng)將成為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)性平臺，對于移動通信的傳輸質(zhì)量以及通信效率也提出了更高的要求，為了滿足網(wǎng)絡(luò)化時代對于移動通信的需求，5G通信技術(shù)也必將在以下三個方面得明顯的改觀：（1）通信系統(tǒng)的智能化和系統(tǒng)吞吐率；（2）無線通線傳輸效率；（3）無線通信頻率資源。隨著網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的不斷發(fā)展和變革，5G通信技術(shù)也必將適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化時代的要求，才能更好的適應(yīng)不同客戶群體對于移動通信的要求。一是更加注重用戶體驗(yàn)的滿足度。這就要求5G技術(shù)更加重視和改進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐效率、傳輸速率、3D等能力，并將其做為通信質(zhì)量的重要衡量指標(biāo)。二是健全和完善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通過多點(diǎn)、多面、多用戶、多無線進(jìn)一步提高移動通信系統(tǒng)性能；三是進(jìn)一步優(yōu)化通信系統(tǒng)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)無線信號覆蓋無處不在。四是根據(jù)不同通信客戶對于實(shí)時的流量需求的變化，動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，進(jìn)一步降低運(yùn)營成本和能源消耗。五是發(fā)掘頻譜資源利用效能，不斷提高5G通信效率。

三、5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)探討

在5G移動技術(shù)發(fā)展的中，不僅重視了客戶體驗(yàn)，而且在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線傳輸?shù)戎髅嬉餐度敫蟮木?，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究與開發(fā)。下面主要就5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的探討。

（一）同時同頻全雙工技術(shù)

所謂的同時同頻全雙工技術(shù)，是有效提高頻譜效率的雙向通信技術(shù)。在現(xiàn)有的通信技術(shù)中，因?yàn)槭艿郊夹g(shù)和條件等方面的限制，無法實(shí)現(xiàn)一個信道實(shí)時雙向通信。因此，造成了無線資源浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象。而同頻全雙工技術(shù)，顧名思義就是指在同一個信道上，可以實(shí)時實(shí)現(xiàn)兩個方向的操作，在發(fā)送信號的同時也接受信號。同頻全雙工技術(shù)在提高頻譜效率上有著巨大潛力，其利用通信設(shè)備信號機(jī)在發(fā)射通信信號的同時，也可以接收通信信號，在同時操作的傳輸?shù)倪^程中，可以較好的提高頻譜效率，使其工作效率更高。但在同時同頻全雙工技術(shù)中，也因其抗拒自我干擾的能力較弱，在信號同時發(fā)送和接收時，會產(chǎn)生嚴(yán)重的自我干擾，這是同時同頻技術(shù)必須要解決的難題。現(xiàn)在學(xué)者們通過各種抗自我干擾技術(shù)的研究，結(jié)合其他通信技術(shù)，已經(jīng)可以對大部分自我干擾進(jìn)行消除，但對完全消除自我干擾還需要進(jìn)一步技術(shù)研究和開發(fā)。

（二）密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

5G移動通信所能提供的流量將會是4G移動通信的千倍以上，5G網(wǎng)絡(luò)是多種無線接入的技術(shù)，由于覆蓋范圍較小，如果再進(jìn)行小區(qū)分割也存在很大的難度，這就需要密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用支持。此技術(shù)密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包含以下兩方面內(nèi)容：第一是通過在宏基站的外部設(shè)置很多的天線，從而拓寬室外空間，也使得系統(tǒng)容量得以增加，同時，系統(tǒng)靈活性更強(qiáng)；第二是需要在室外布置很多的密集網(wǎng)絡(luò)。從而使通信網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點(diǎn)之間能夠相互協(xié)作，通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確性與有效性都得到增強(qiáng)，密集網(wǎng)絡(luò)所能產(chǎn)生的信噪比增益將會更加的客觀。通過網(wǎng)絡(luò)動態(tài)的空間和時間大范圍的動態(tài)變化，提高其靈活性，增加其覆蓋面積，同時也是密集網(wǎng)絡(luò)充分發(fā)揮其作用的核心，也5G移動通信的優(yōu)勢所在。

（三）多天線傳輸技術(shù)

在5G移動通信技術(shù)中，為了提高天線的性能和覆蓋范圍，采用了所謂的多天線傳輸技術(shù)。此技術(shù)在使用有源天線來進(jìn)行列陣，然后與毫米波聯(lián)系起來，從而可以提高天線的覆蓋能力，也可以達(dá)到節(jié)約能源的目標(biāo)。在5G通信中，更多更多的用戶空分多址(SDMA)的支持，使得通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率可以大幅降低，而且其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍也得到提升，從而實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。在5G技術(shù)中，由于引入了有源天線陣列，增了基站側(cè)協(xié)作天線的支持?jǐn)?shù)量，最大數(shù)可達(dá)到128根。而且原來的2D天線也拓展為3D天線，可以與基站側(cè)可支持的協(xié)作天線數(shù)量將達(dá)到128根。此外，原來的2D天線陣列拓展成為3D天線陣列，與高頻段毫米波技術(shù)相結(jié)合，不僅可以減少用戶間干擾，而且也支持多用戶波束智能賦型，無線信號覆蓋性能進(jìn)一步提升。

（四）新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)

目前，LTE接入網(wǎng)采用網(wǎng)絡(luò)扁平化架構(gòu)，減小了系統(tǒng)時延，降低了建網(wǎng)成本和維護(hù)成本。在人們對于網(wǎng)絡(luò)要求不斷改變的過程中，5G移動通信中的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)就是因?yàn)槲磥砜赡墚a(chǎn)生的業(yè)務(wù)需要所出現(xiàn)的技術(shù)，此技術(shù)在應(yīng)用中具有低時延以及低成本等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。未來5G可能采用C-RAN接入網(wǎng)架構(gòu)。C-RAN是綠色無線接入構(gòu)架，包含基于集中化處理、協(xié)作式無線電和實(shí)時云計算構(gòu)架三個部分。C-RAN通過低成本高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)，在集中化的中心節(jié)點(diǎn)間與遠(yuǎn)端天線間傳輸無線領(lǐng)帶信號，從而可以覆蓋的基站服務(wù)區(qū)域達(dá)到100個以上，覆蓋面積也可達(dá)到上百平方公里。C-RAN架構(gòu)適于采用協(xié)同技術(shù)，從而達(dá)到提升頻譜效率、降低功耗、降低干擾的目標(biāo)。同時，也適用于動態(tài)智能化組網(wǎng)，方便通信系統(tǒng)的維護(hù)，有效降低通信運(yùn)營成本。在當(dāng)前，此技術(shù)的研發(fā)，主要集中在中控制、基帶池RRU接口定義、基于C-RAN的更緊密協(xié)作，如基站簇、虛擬小區(qū)等方面。

（五）設(shè)備間直接通信技術(shù)

設(shè)備間直接通信技術(shù)就是指各通信設(shè)備之間可以進(jìn)行直接的通信，不需要有中間載體。傳統(tǒng)的移動通信中，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式采用的是以小區(qū)為單位，這種網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)其靈活性存大較大不足，隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)對大流量的需求，這種網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式也已漸漸被淘汰。而設(shè)備間直接通信技術(shù)的出現(xiàn)，不僅可以保證通信質(zhì)量，還可以很好降低對能源消耗。

四、結(jié)束語

5G不是連接技術(shù)的漸進(jìn)式提升，也不僅是新一代的移動技術(shù)。5G將是一種全新類型的網(wǎng)絡(luò)，以前所未有的規(guī)模、速度和復(fù)雜性支持高度多樣化的終端。相比前幾代通信技術(shù)，5G 更強(qiáng)調(diào)用戶體驗(yàn)速率，將達(dá)到Gbps 量級。5G關(guān)鍵能力比以前幾代移動通信更加豐富，用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端時延、峰值速率和移動性等都將成為5G的關(guān)鍵性能指標(biāo)，其商用后，也必將對人們的生活和工作方式帶較大的影響，更好、更快的實(shí)現(xiàn)人與物、人與人的互通互聯(lián)。

作者單位：中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司黑龍江分公司