5G 的關(guān)鍵技術(shù)分析和典型場景應(yīng)用

周芳梅

（廣東南方電信規(guī)劃咨詢設(shè)計院有限公司，廣東 深圳 518038）

1 概述

如果說，第四代移動通信網(wǎng)絡(luò)（4G）一定程度上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)、音頻、視頻的快速傳輸，那么第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）則具有更高速率、更大容量、更低時延的通信技術(shù)，比目前的4G 至少快十倍以上，被譽為“數(shù)字經(jīng)濟新引擎”。5G 作為新基建之首，將不僅是一項移動通信技術(shù)，更是下一輪技術(shù)革命的重要轉(zhuǎn)折點，影響著人類的進步與社會的發(fā)展。

2 5G 的關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 非正交多址接入技術(shù)

從1G 到4G，多址技術(shù)發(fā)展出多種形式，包括FDMA、TDMA、DS-CDMA、OFDM 等。當(dāng)接入用戶增多時，這些技術(shù)為了讓不同用戶信號能被完整區(qū)分出來，會保持信號之間的正交性或準(zhǔn)正交，因此可以統(tǒng)稱為正交多址技術(shù)。而對于5G，由于頻譜效率相較于4G 將提升數(shù)十倍，故需要采用具有更好過載性能的非正交多址接入技術(shù)（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）。

目前，直接序列碼分多址（Direct Sequence CDMA，DS-CDMA）是3G 系統(tǒng)采用的技術(shù)，正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是4G 系統(tǒng)采用的技術(shù)，但基本都在頻域、時域和碼域上實現(xiàn)多用戶復(fù)用。不同于3G、4G，NOMA 則增加了功率域這一維度，在發(fā)送端采用非正交發(fā)送，再在接收端通過串行干擾刪除技術(shù)調(diào)解和消除多址干擾，以此區(qū)分出不同用戶的信號，再結(jié)合功率復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)多用戶復(fù)用。

NOMA 使得信號的增益大幅提高，讓移動用戶在同一覆蓋區(qū)域獲得最大的帶寬接入，這使5G 大規(guī)模連接帶來的問題得到解決，且NOMA 不需要知道每個信道的CSI（信道狀態(tài)信息）。對于高速移動場景同樣適用。但由于NOMA 主要是利用復(fù)雜的接收機設(shè)計來換取更高的頻譜效率，如何設(shè)計出低復(fù)雜度且有效的接收機算法將是未來技術(shù)實現(xiàn)的難點。

2.2 濾波器組多載波技術(shù)

濾波器組多載波技術(shù)（Filter-bank multicarrier，F(xiàn)BMC），屬于頻分復(fù)用技術(shù)，具有較強的抗多徑干擾能力。FBMC 解決了OFDM 需要引入CP 循環(huán)前綴（Cycle Prefix）的問題，由于循環(huán)前綴比時延擴展還長，頻率效率會大打折扣。為了消除符號間干擾（ISI）和載波間干擾（ICI），F(xiàn)BMC 不是采用循環(huán)前綴，而是通過一組優(yōu)化的濾波器組代替矩形窗函數(shù)，對頻偏引起的載波間干擾非常小，大大提高了頻率效率。

FBMC 核心思想是，不引入額外的時間開銷以保持符號持續(xù)時間不變，在發(fā)送及接收端添加額外的濾波器組，F(xiàn)BMC 的多載波性能，取決于原型濾波器及調(diào)制濾波器的設(shè)計。

盡管FBMC 實現(xiàn)很雜度相對較高，但是通信技術(shù)的不斷發(fā)展及隨著硬件處理能力的不斷提高，F(xiàn)BMC 的實際應(yīng)用將不是問題。

2.3 大規(guī)模MIMO 技術(shù)

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)，是使用多個發(fā)射天線和接收天線在發(fā)射端和接收端，使用多個天線傳送和接收信號，充分利用現(xiàn)有資源改善通信質(zhì)量，不增加頻譜資源和發(fā)射功率天線數(shù)量越多，通信質(zhì)量越好。

大規(guī)模MIMO（即Large scale MIMO，亦稱為Massive MIMO）技術(shù)由此誕生，天線通道數(shù)可高達64、128甚至256個，成倍的提升了無線頻譜效率，增強了網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力和系統(tǒng)容量。大規(guī)模MIMO 不像傳統(tǒng)的MIMO 那樣，信號只能水平方向平面發(fā)射移動，而是電磁波束的輻射狀，既可以水平方向移動，也可以在垂直方向進行移動，大幅提高網(wǎng)絡(luò)容量。

大規(guī)模MIMO 的應(yīng)用，為稠密地區(qū)多用戶、多設(shè)備同時進行高可靠傳輸通信提供了可能，也為實現(xiàn)在高頻段上進行移動通信提供了廣闊的前景。

2.4 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

5G 網(wǎng)絡(luò)要支撐起每平方公里百萬數(shù)量級的設(shè)備，需要高密度的小基站部署。但高密度的接入節(jié)點，加上不同終端連接的頻率、速率、功耗不同，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的系統(tǒng)干擾問題。

超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，融合了多種無線接入技術(shù)，有別于傳統(tǒng)的組網(wǎng)模式，主要使用宏微異構(gòu)的組網(wǎng)架構(gòu)來部署，充分利用宏站的大功率覆蓋和低功率小型化基站的靈活多變，通過靈活增加站點部署密度來減少節(jié)點間的距離，減小小區(qū)半徑，使5G 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、功率效率、頻譜效率都得到大幅提升。

隨著超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署的密度增大，形狀不規(guī)則的小區(qū)邊界數(shù)量將隨之劇增，移動用戶可能會面臨頻繁切換網(wǎng)絡(luò)的問題。為了滿足未來用戶爆炸性的移動業(yè)務(wù)需求，需要不斷的完善網(wǎng)絡(luò)的切換算法。

2.5 毫米波

毫米波，是一種頻率為30～300GHz 的電磁波，波長范圍為1～10毫米。毫米波由于其頻帶寬、波長短、波束窄、靈活可控等特點，可為5G 移動通信提供極致的數(shù)據(jù)傳輸速度和容量，帶來前所未有的移動體驗。毫米波與大規(guī)模MIMO 技術(shù)的完美結(jié)合，使得5G 天線變得更小型，便于5G 的大規(guī)模部署。

但毫米波信號的路徑損耗非常大，甚至無法穿透墻體，受雨、雪、冰雹等惡劣天氣的影響也尤為顯著，在5G 中的實際應(yīng)用將是一個極大的挑戰(zhàn)。

3 5G 的應(yīng)用場景分析

3.1 超高可靠低時延通信

超高可靠低時延通信（Ultra Reliable &Low Latency Communication，uRLLC），是蜂窩通信的特殊用例，目標(biāo)是使其特性和網(wǎng)絡(luò)功能能夠在極端的可靠性標(biāo)準(zhǔn)下運行，并且使關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和計算機之間的往返延遲小于1毫秒。

主要應(yīng)用場景包括能源管理、工業(yè)互聯(lián)及自動化、無人自動駕駛、無人機控制、機器人、遠程手術(shù)等，要求具有極低時延和超高可靠性。

3.2 增強型移動寬帶

增強型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB），具備更大的吞吐量和更低的延時，滿足更多終端和更大量數(shù)據(jù)的傳輸需求，追求人與人之間極致的通信體驗。

主要應(yīng)用場景包括超高清視頻直播、高清視頻會議、高清在線游戲、VR/AR 虛擬現(xiàn)實、云存取、高速移動上網(wǎng)等大流量移動寬帶業(yè)務(wù)，在大帶寬、低時延需求上具有一定優(yōu)勢，是三大場景最先實現(xiàn)商用的部分。

3.3 大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)

大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（Massive Machine Type Communication，mMTC），側(cè)重于人與物之間的信息交互。與eMBB 不同，mMTC 追求的不是高速率，而是低功耗和低成本，需要滿足每平方公里內(nèi)100萬個終端設(shè)備之間的通信需求，發(fā)送較低的數(shù)據(jù)且對傳輸資料延遲有較低需求。

主要應(yīng)用場景包括智能電網(wǎng)、智能物流、智能家居、交通管控、可穿戴設(shè)備、車聯(lián)網(wǎng)等，要求提供多連接的承載通道。

4 結(jié)束語

5G 移動通信是通往未來高速連接、萬物互聯(lián)的金鑰匙，技術(shù)較為復(fù)雜，本文著重論述了幾種關(guān)鍵技術(shù)，如非正交多址接入技術(shù)、濾波器組多載波技術(shù)、大規(guī)模MIMO 技術(shù)、超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和毫米波等，并簡單闡述了5G 的三大應(yīng)用場景，即超高可靠低時延通信、增強移動寬帶和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)。隨著5G移動業(yè)務(wù)的快速增長，5G 的關(guān)鍵技術(shù)也將不斷發(fā)展和完善，將在未來萬物互聯(lián)的各場景應(yīng)用中，帶來新的突破，孕育新的創(chuàng)造力，也將進一步把數(shù)字生活“嵌入”人類衣食住行的方方面面，引領(lǐng)新一場的互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式大變革。