淺談5G關(guān)鍵技術(shù)

摘要：在過去20多年中，移動通信經(jīng)歷從語音業(yè)務(wù)到高速寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，未來人們對移動網(wǎng)絡(luò)的需求進(jìn)一步增加。需求的爆炸式增長給未來無線移動通信系統(tǒng)在技術(shù)方面帶來巨大的挑戰(zhàn)，由此，針對5G系統(tǒng)的研究應(yīng)運(yùn)而生。本文主要介紹5G的基本概念以及5G采用的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：5G關(guān)鍵技術(shù);毫米波技術(shù);大規(guī)模天線陣列;超密集組網(wǎng)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）35-0029-02

1 5G概述

在20世紀(jì)80年代末90年代初，通信以模擬信號傳輸技術(shù)為主的1G產(chǎn)品大哥大出現(xiàn)了，它以打電話為主。那個時(shí)代擁有一臺大哥大是多少人夢寐以求的事情，它很好地解決了通信當(dāng)時(shí)的一個痛點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地和別人交流。接下來發(fā)展到2G，從1G到2G的飛躍，除了打電話，人們還可以發(fā)短信、溝通一下又方便了很多。而到了3G，大家就比較熟悉了，它終于可以讓人看圖片了。然后緊跟著是4C手機(jī)，不但圖片，音樂、視頻都可以輕松下載。接下來就是我們馬上遇到的5G時(shí)代，我們已經(jīng)可以開始感受到它的震撼了。

那么5G是什么概念呢？從1G到4G，移動通信技術(shù)差不多每隔10年就會經(jīng)歷一次革命性的跨越，每一次更新?lián)Q代都很好地解決了當(dāng)時(shí)的主要需求。

移動通信在過去的20多年中，經(jīng)歷了從語音業(yè)務(wù)到高速寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛躍發(fā)展，使得人們未來對移動網(wǎng)絡(luò)的新需求不斷增加，這主要體現(xiàn)在兩個方面：一個是，未來10年移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)爆發(fā)式增長，預(yù)計(jì)是2010年的數(shù)百倍、甚至更多，尤其是在智能手機(jī)成功占領(lǐng)市場之后，各種新服務(wù)不斷涌現(xiàn)，比如娛樂點(diǎn)播服務(wù)、電子醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)、電子銀行等等;另一方面，我們相信在不久的將來，會迎來移動物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)浪潮。到那時(shí)，移動醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能家居等，將推動萬物互聯(lián)的新通信時(shí)代，數(shù)以千億的設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)……因此，5G直接要面臨解決的問題主要有3個：容量增強(qiáng)、接人海量終端、超高可靠超低時(shí)延。

為了解決以上三個問題，下面我們來談?wù)?G采用的關(guān)鍵技術(shù)。

2 5G關(guān)鍵技術(shù)

5G作為新一代的移動通信技術(shù)，它是4G的延續(xù)，可能會采用6大核心關(guān)鍵技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和無線接入網(wǎng)兩方面都可能涉及。

2.1毫米波技術(shù)

大家知道，在移動通信中頻譜是非常寶貴的資源，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和逐步部署，其中6GHz以下的中低頻頻譜資源已經(jīng)非常稀缺，而高頻頻段則有著較為豐富的空閑頻譜資源。因此，為滿足不斷增長的用戶數(shù)據(jù)速率需求和不斷發(fā)展的移動通信業(yè)務(wù)，一方面努力探索更高效的中低頻譜利用效率，另一方面嘗試開拓更高（6GHz以上）頻段的頻譜資源，是許多通信人研究5G一直堅(jiān)持的方向。

毫米波屬于極高頻段，其頻率范圍為30GHz～300GHz，相應(yīng)波長在1mm～10mm之間，它的波束很窄，是在空間以直射波的方式進(jìn)行傳播，本身具有良好的方向性。下面是高頻段毫米波在移動通信中的主要優(yōu)點(diǎn)：

◇較高的天線增益;

◇可用帶寬足夠量;

◇小型化的天線和設(shè)備;

◇繞射能力強(qiáng)，適合部署大規(guī)模天線陣列（Massive MI-MO）。

但高頻段毫米波移動通信也存在一些缺點(diǎn)，比如穿透能力差、傳輸距離短、易受天氣氣候和環(huán)境影響等等，目前各大研究機(jī)構(gòu)正在積極開展高頻段需求研究以及候選頻段的遴選工作。

2.2大規(guī)模天線陣列

多天線技術(shù)經(jīng)歷了從無源到有源、從二維（2D）到三維（3D）、從高階（MIMO）到大規(guī)模陣列（Massive MIMO）的發(fā)展，如圖1所示。

其中大規(guī)模天線技術(shù)是5G通信系統(tǒng)中，最具有性能提升潛力的關(guān)鍵技術(shù)，通過上百根天線的空分復(fù)用優(yōu)勢，成倍提升系統(tǒng)容量，并在pre5G中成功商用。這種大規(guī)模天線技術(shù)在原理上理解起來比較直觀：就是在物理上增加基站發(fā)送天線數(shù)目，而在傳輸過程中增加并行傳輸用戶數(shù)目。

目前，針對大規(guī)模天線信道測試與建模、陣列設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)、導(dǎo)頻信道、碼本及反饋機(jī)制等問題研究人員正在進(jìn)行深入研究，未來將支持更多的用戶空分多址（SDMA），在實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能的同時(shí)降低發(fā)射功率，提升整體覆蓋能力。

2.3新型調(diào)制編碼技術(shù)

調(diào)制編碼技術(shù)是移動通信的核心技術(shù)，隨著未來的數(shù)據(jù)傳輸需求不斷增加，現(xiàn)在的4G LTE網(wǎng)絡(luò)的編碼還不能夠得以滿足，這就迫切需要設(shè)計(jì)更高效的信道編碼，來提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并利用更大的編碼信息塊契合移動寬帶流量配置，同時(shí)，現(xiàn)有信道編碼技術(shù)（如LTE Turbo）的性能極限還有待繼續(xù)提高。LDPC在傳輸效率方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超于LTE Turbo，而且易平行化的解碼設(shè)計(jì)，能以低時(shí)延和低復(fù)雜度，擴(kuò)展達(dá)到更高的傳輸速率。5G所采用的新型調(diào)制編碼技術(shù)主要包括256QAM高階調(diào)制、LDPC和Polar編解碼技術(shù)。256QAM高階調(diào)制大家比較熟悉，下面對LDPC和Polar編解碼技術(shù)分別作個簡單介紹。

LDPC碼即低密度奇偶校驗(yàn)碼，最早由美國麻省理工學(xué)院Robert G.Gallager博士于1963年提出，是一類具有稀疏矩陣的線性分組碼，其翻譯復(fù)雜程度較低、結(jié)構(gòu)比較靈活。LDPC曾經(jīng)在3GPP的第一次嘗試出現(xiàn)在2006年的LTE R8討論中，但那時(shí)由于非技術(shù)因素卻惜敗于風(fēng)頭正勁的Turbo碼。不過經(jīng)過10年的沉淀，2016年得到充分驗(yàn)證的LDPC又來到了移動通信標(biāo)準(zhǔn)的賽場上，成為5G技術(shù)的備選方案。

Polar碼則是編解碼界新星，它是一種全新的線性信道編碼方法，該碼字是迄今發(fā)現(xiàn)的唯一一類能夠達(dá)到香農(nóng)極限的編碼方法，且有較低的編譯碼復(fù)雜度。2016年11月19日，國際移動通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP確定將Polar碼作為5G增強(qiáng)移動寬帶場景的控制信道即短碼塊編碼方案。

2.4網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

圖2是網(wǎng)絡(luò)切片的簡單示意圖。什么是網(wǎng)絡(luò)切片，簡單理解起來就是將一個物理網(wǎng)絡(luò)切割成多個虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，它就是一個網(wǎng)絡(luò)切片的簡單示意圖。而在每個虛擬網(wǎng)絡(luò)之間，包括核心網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備、接入和傳輸，他們在邏輯上都是獨(dú)立的，其間任一虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，都不會影響到其他虛擬網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。

5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能夠?yàn)椴煌膽?yīng)用場景提供隔離的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使不同的應(yīng)用場景可根據(jù)自身要求定制特性功能與功能。5G網(wǎng)絡(luò)切片的目標(biāo)是結(jié)合網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營、接入網(wǎng)資源、核心網(wǎng)資源、終端設(shè)備以及維護(hù)管理系統(tǒng)，為不同的業(yè)務(wù)場景和業(yè)務(wù)類型，提供隔離、獨(dú)立和集成的網(wǎng)絡(luò)。

2.5超密集組網(wǎng)（UDN）

未來移動通信業(yè)務(wù)突飛猛進(jìn)飛速發(fā)展，尤其是熱點(diǎn)地區(qū)的流量將是各大運(yùn)營商亟待解決的重要問題，在5G網(wǎng)絡(luò)中這個問題將更為明顯。僅僅靠稀缺的低頻段頻譜資源將無法滿足移動數(shù)據(jù)流量增長的需求，于是增加單位面積內(nèi)微基站密度或許是解決熱點(diǎn)地區(qū)移動數(shù)據(jù)量飛速增長的有效方法。

然而，在實(shí)際的部署中，超密集組網(wǎng)存在著幾大問題：干擾、站址的獲取和成本。基站建立越多，成本增加自然不在話下。另外隨著網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)人口密度的不斷增加，小區(qū)間干擾問題顯得更加嚴(yán)重，特別是控制信道的干擾直接影響了整個系統(tǒng)的可靠性;另一方面，由于密度增加，使得用戶在頻繁選擇小區(qū)和小區(qū)切換的移動性管理變得異常嚴(yán)峻。

虛擬層技術(shù)的提出就是為解決以上技術(shù)難點(diǎn)。所謂虛擬層技術(shù)，其基本原理就是由單層實(shí)體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建虛擬多層網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)可以通過單載波和多載波實(shí)現(xiàn)。單載波是通過不同的信號或信道構(gòu)建虛擬多層網(wǎng)絡(luò);多載波則是通過不同的載波構(gòu)建虛擬多層網(wǎng)絡(luò)。

2.6設(shè)備到設(shè)備直接通信（D2D）

D2D技術(shù)是一種通信方式，是指兩個對等的用戶節(jié)點(diǎn)之間直接進(jìn)行通信。隨著無線多媒體業(yè)務(wù)的不斷增多，更豐富的業(yè)務(wù)提供方式可以滿足海量用戶在不同環(huán)境的業(yè)務(wù)體驗(yàn)和需求。

在由D2D通信用戶組成的分散式網(wǎng)路中，每個用戶節(jié)點(diǎn)都既能發(fā)送也能接收信號，并具有自動路由（轉(zhuǎn)發(fā)消息）的功能。網(wǎng)路的參與者共用它們所擁有的一部分硬體資源，包括網(wǎng)路連接能力，信息處理、存儲等。這些共用資源向網(wǎng)路提供資源和服務(wù)，在不需要經(jīng)過中間實(shí)體的情況下能被其他用戶直接訪問。在D2D模式的通信網(wǎng)路中，用戶節(jié)點(diǎn)同時(shí)扮演客戶端和伺服器兩個角色，用戶之間能夠意識到彼此的存在，能夠自組織地構(gòu)成一個虛擬或?qū)嶋H的群體。

在D2D通信模式下，兩終端之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠有效避免蜂窩通信中因用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)傳輸而產(chǎn)生的鏈路增益;另一方面，D2D與蜂窩之間以及D2D用戶之間的資源可以復(fù)用，由此能夠產(chǎn)生資源復(fù)用增益;通過資源復(fù)用增益和鏈路增益則可提高無線頻譜資源的利用效率，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

當(dāng)然，D2D通信技術(shù)只能作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的輔助通信手段，是無線通信的應(yīng)用場景得到進(jìn)一步的擴(kuò)展，而不是獨(dú)立組網(wǎng)通信。

3 5G來了

2019年6月6日上午，工信部正式發(fā)放5G商用牌照，標(biāo)志著中國正式進(jìn)入5G時(shí)代。隨著科技的每一次進(jìn)步，都會帶來產(chǎn)業(yè)的機(jī)會，就看我們能否抓住技術(shù)的特點(diǎn)。那么5G能給我們帶來什么呢？這或許沒人能說得清楚。在3G剛開始的時(shí)候，大家能想到微信這么熱嗎？而到了4G，也不曾想微信還能支付.還能傳視頻。所以移動通信業(yè)務(wù)不是事先想出來的，而是能力具備才做出來的。從1G到4G主要是面向消費(fèi)者，是消費(fèi)者應(yīng)用，5G將是4G的延續(xù)擴(kuò)展消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域，但是它會增加面向產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，適用于智慧城市、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等等?？傊?，沒有做不出來，只有想象不到。有個咨詢公司估計(jì)到2035年，5G能給全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出增加12.3萬億美元，而其中中國會因?yàn)?G國內(nèi)生產(chǎn)總值增加大概1萬億美元、創(chuàng)造大概1000萬人的就業(yè)機(jī)會！

5G可以說是數(shù)字高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)，它是未來數(shù)字經(jīng)濟(jì)增長的一個新引擎！

參考文獻(xiàn)：

[1]陳鵬.5G關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)演進(jìn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2]江林華.5G物聯(lián)網(wǎng)及NB-IOT技術(shù)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018.

[3]郎為民.大話物聯(lián)網(wǎng)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[4]易睿得.LTE系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

【通聯(lián)編輯：唐一東】

收稿日期：2019-08-20

作者簡介：羅偉華（1978-），男，福建漳州人，講師，研究方向：電子、通信。