5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)探析

呂凱凱 王俐 棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院

1 引言

1G語(yǔ)音時(shí)代，那時(shí)移動(dòng)、聯(lián)通、電信雖還未出現(xiàn)，但卻有A網(wǎng)與B網(wǎng)之分，1G具有明顯的串號(hào)與盜號(hào)的缺點(diǎn)，所以1G很快被淘汰。2G時(shí)代，人們可以發(fā)送簡(jiǎn)單的文字信息也可以進(jìn)行上網(wǎng)，但網(wǎng)速僅僅只有9.6KB/s。人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的高需求，3G隨即到來(lái)，為移動(dòng)通信開(kāi)辟了新紀(jì)元，使通信方式更具多樣化。4G視頻時(shí)代網(wǎng)速更快、智能性更高、覆蓋范圍很廣，幾乎滿足了所有用戶對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求。5G物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器之間的互聯(lián)，它不僅僅只實(shí)現(xiàn)用戶與用戶之間的通信，它會(huì)遍及更多的應(yīng)用領(lǐng)域。為此，5G移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)研究尤為重要。

2 5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大規(guī)模天線陣列（MIMO）

大規(guī)模MIMO技術(shù)就是大量的天線輸入、輸出信號(hào)。MIMO技術(shù)在LTE時(shí)代已被采用。LTE系統(tǒng)采用2×2的MIMO技術(shù)，LTE-A系統(tǒng)應(yīng)用8×4的MIMO技術(shù)，而未來(lái)5G要實(shí)現(xiàn)天線的多輸入多輸出。大規(guī)模MIMO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要在以下三個(gè)方面：第一，大規(guī)模MIMO利用超強(qiáng)的空間分辨率，把空間中的資源最大程度的利用，使得同一時(shí)頻的資源達(dá)到對(duì)多個(gè)終端通信，從而使頻譜效率得到大步的提升。第二，大規(guī)模MIMO技術(shù)將波束成型聚集在盡量小的范圍內(nèi)，使得目標(biāo)信號(hào)增強(qiáng)，從而功率消耗減少。第三，使終端復(fù)雜度得到了降低。

2.2 毫米波通信技術(shù)

未來(lái)5G要實(shí)現(xiàn)傳輸速率在4G的基礎(chǔ)上增加10倍，即要達(dá)到1Gb/s.無(wú)線傳輸速率的提高有兩種途徑。一是提高頻譜利用率，二是加大頻譜寬度。經(jīng)過(guò)研究5G最有可能運(yùn)用的兩個(gè)頻率是28Ghz和60Ghz。而毫米波的頻率范圍大致在30Ghz到300Ghz之間.所以毫米波為5G的實(shí)現(xiàn)作出了很大貢獻(xiàn)。毫米波有一個(gè)特點(diǎn)，它在空氣中的波性會(huì)減弱，并且穿透能力較弱。這一特點(diǎn)有利也有弊，利是它在傳播中可以有效避免其它頻段的干擾，維護(hù)自己的獨(dú)立性。但也說(shuō)明毫米波使用的范圍是有一定限制的，離基站較遠(yuǎn)的地方信號(hào)會(huì)減弱。研究人員發(fā)現(xiàn)要想提高傳輸速率必須使用微基站聯(lián)合毫米波技術(shù)。

2.3 D2D通信技術(shù)

D2D技術(shù)是指相同基站的兩個(gè)用戶，在基站覆蓋的范圍之內(nèi)傳達(dá)信令不再通過(guò)基站這一媒介，它們自己可以直接進(jìn)行通信。D2D技術(shù)作為5G發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，是研究人員主要研究的技術(shù)之一，它的目的是想讓用戶得到更大的體驗(yàn)感和更高的使用質(zhì)量。較比WIFI、藍(lán)牙等技術(shù)，D2D有很大的優(yōu)點(diǎn)，相比較之下傳輸速率較高，且功率利用率較高。但由于技術(shù)復(fù)雜且很難調(diào)度，所以有許多問(wèn)題需要解決。

2.4 超密集異構(gòu)組網(wǎng)

為了提高高流量密度、高峰值速率和用戶體驗(yàn)速率，采超密集組網(wǎng)的方法。通過(guò)縮短小區(qū)之間的距離運(yùn)用UDN將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行密集布置，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的密集化、提高基站的密集度。UDN運(yùn)用了虛擬層技術(shù)，指用單層網(wǎng)絡(luò)來(lái)搭造多層的虛擬網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)利用單或多載波，讓虛擬多層網(wǎng)絡(luò)借助單載波方案利用不同的信號(hào)或信道進(jìn)行搭造。而多載波方案則是利用不同的載波搭造虛擬多層網(wǎng)絡(luò)，使邏輯小區(qū)被多個(gè)物理小區(qū)虛擬出來(lái)。虛擬小區(qū)與用戶的動(dòng)態(tài)緊密相連，隨用戶的變化而改動(dòng)。超密集異構(gòu)組網(wǎng)應(yīng)用在5G中要實(shí)現(xiàn)多分層、多小區(qū)、多載波的特點(diǎn)，來(lái)達(dá)到多種行業(yè)的需求。未來(lái)5G的組網(wǎng)要在4G的基礎(chǔ)上添加5G站點(diǎn)使網(wǎng)絡(luò)更加密集化，從而解決覆蓋和容量的困難。

2.5 新型無(wú)線網(wǎng)接入構(gòu)架

新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架主要運(yùn)用C-RAN無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。C-RAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中的基站包含分布式RRU和集中式BBU兩部分，基站通過(guò)減少天線與移動(dòng)通信的間距增加了寬帶容量，從而提高網(wǎng)絡(luò)利用率。它與前幾代分布式基站的區(qū)別是，它實(shí)現(xiàn)射頻單元與基帶處理單元的獨(dú)立，原來(lái)兩者緊密的關(guān)系被分離。這樣的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使終端依據(jù)C-RAN接收信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)選擇服務(wù)，在利用實(shí)時(shí)虛擬的多小區(qū)MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的共享，從而提高頻譜效率。C-RAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架可以降低通信開(kāi)銷，提高寬帶容量，但同時(shí)也存在一些挑戰(zhàn)，例如要用較低的開(kāi)銷傳輸高寬度的無(wú)線信后；利用較前沿的協(xié)作發(fā)射與接收技術(shù)提高性能；運(yùn)用基站虛擬化技術(shù)降低資源的浪費(fèi)。

2.6 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算技術(shù)（MEC)目的是在網(wǎng)絡(luò)邊緣對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除掉無(wú)用的數(shù)據(jù)，從而降低傳輸?shù)膸?，提高傳輸效率。MEC的系統(tǒng)是在虛擬化平臺(tái)的基礎(chǔ)上建立的，MEC平臺(tái)具有良好的開(kāi)放性和自動(dòng)管理能力。3GPP規(guī)定邊緣技術(shù)要遵守5G的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，且要提供這些支持：本地路由、話務(wù)分流、會(huì)話和業(yè)務(wù)連續(xù)性、用戶面選擇和重選、網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)發(fā)、QoS和計(jì)費(fèi)。MEC是的技術(shù)會(huì)越來(lái)越基于成熟，以后應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越廣泛，但是目前才剛剛開(kāi)發(fā)研究，未來(lái)還有一段很長(zhǎng)的路要走。

2.7 網(wǎng)絡(luò)切片

5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于三類場(chǎng)景：移動(dòng)寬帶、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)和關(guān)鍵任務(wù)型物聯(lián)網(wǎng)。移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)接入三維立體視頻、超高清視頻、云工作、云娛樂(lè)等。大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智慧家庭、智慧城市等。關(guān)鍵任務(wù)型主要應(yīng)用于無(wú)人駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、緊急任務(wù)應(yīng)用等。由于各個(gè)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)需求存在差別，不能用相同的網(wǎng)絡(luò)達(dá)到不同的業(yè)務(wù)需求，即研發(fā)了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。為了讓網(wǎng)絡(luò)切片成為可能，基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)又研發(fā)出切片管理器和切片選擇兩個(gè)功能。網(wǎng)絡(luò)切片是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的工程，它要實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的接入。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中要穿過(guò)三個(gè)網(wǎng)絡(luò)：接入網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。在穿過(guò)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都面臨著不少挑戰(zhàn)，需要一一解決。

3 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，從1G、2G、3G、4G到現(xiàn)在還在研發(fā)階段的5G，它們是人類智慧的結(jié)晶，是改變世界的科技。5G移動(dòng)通信在走向成熟商用之前，上文所述這些關(guān)鍵技術(shù)的突破會(huì)加快5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)這些技術(shù)的探析非常有意義。