5G無線蜂窩通信的關(guān)鍵技術(shù)

許振領(lǐng) 時(shí)凱

（中國廣電山東網(wǎng)絡(luò)有限公司濰坊分公司 山東省濰坊市 261000）

1 引言

隨著人們生活的質(zhì)量的提高，出現(xiàn)了對移動(dòng)通信更高的需求，研究人員在4G 的基礎(chǔ)上開發(fā)5G。遵循不斷增長的移動(dòng)通信規(guī)則，就速度和消耗而言，5G 更好，更高效，比4G 移動(dòng)通信低4 倍或更多倍,用戶體驗(yàn)也發(fā)生了巨大變化。5G 移動(dòng)通信與無線通信技術(shù)緊密合作，以支持下一代移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，并共同構(gòu)建下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足對互聯(lián)網(wǎng)流量的需求。

2 移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢探討

2.1 無線傳輸技術(shù)

2.1.1 大規(guī)模MIMO 技術(shù)

基礎(chǔ)的MIMO 技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在4G 中。在2010年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的T.L.Marzetta 提出了大規(guī)模的MIMO 技術(shù)。研究了極端情況下的多用戶多輸入輸出技術(shù)，在這種情況下，每個(gè)基站在多小區(qū)的情況下放置無限數(shù)量的天線，并提出了具有多個(gè)輸出的大規(guī)模多輸入的概念，提出了與單小區(qū)天線數(shù)量有限的情況下不同的特征。在天線布置方法中，這些天線集中在能夠形成分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上的高密度固體MIMO 的基站中，并且可以形成擴(kuò)散固體MIMO。即通過增加天線的數(shù)量來降低小區(qū)內(nèi)干擾，噪聲，衰落等。MIMO 技術(shù)如圖1所示。

圖1：MIMO 技術(shù)

2.1.2 基于濾波器組的多載波技術(shù)

從頻譜效率、抗多徑衰落和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的優(yōu)勢來看，正交頻分復(fù)用技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)，例如需要插入循環(huán)前綴來抗多徑衰落、對載波頻率偏移高度敏感以及具有高峰均平均比。每個(gè)子載波必須具有相同的帶寬，必須保持每個(gè)子載波之間的同步。5G 系統(tǒng)必須支持高數(shù)據(jù)速率，并且可能需要高達(dá)1GHz 的帶寬。但是，在某些低頻范圍內(nèi)，很難連續(xù)的獲得寬帶頻譜資源。

2.1.3 全雙工技術(shù)

全雙工通信技術(shù)是在無線通信系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行雙向通信的技術(shù)，因?yàn)樵谝话愕耐ㄐ畔到y(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)的單個(gè)傳輸信號(hào)會(huì)干擾通信。從理論上講，全雙工技術(shù)可以使頻率使用的潛力加倍，并允許更靈活的頻率使用。 5G 系統(tǒng)研究旨在關(guān)鍵領(lǐng)域中提高頻譜利用率?，F(xiàn)在，全雙工技術(shù)也存在一些困難。因?yàn)榻邮蘸桶l(fā)送的信號(hào)的功率差過大，并且會(huì)引起明顯的固有干擾，因此使用全雙工技術(shù)相關(guān)的第一個(gè)問題是消除這種固有干擾。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

2.2.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

5G 體系包羅新無線傳輸技術(shù)和現(xiàn)有無線接入技術(shù)的發(fā)展，例如，在5G 網(wǎng)絡(luò)中總是存在不同的無線接入技術(shù)，5G，4G，3G 和Wi-Fi 共存，除了負(fù)責(zé)覆蓋基層網(wǎng)絡(luò)的宏基站外，還有一些覆蓋了熱點(diǎn)的小型低能功率站，例如：微處理器、繼電器等多層覆蓋多無線接入技術(shù)。這些巨大的低性能節(jié)點(diǎn)中一些是由運(yùn)營商引入和計(jì)劃的宏節(jié)點(diǎn)。但是低功耗，計(jì)劃外的節(jié)點(diǎn)更為常見。用戶引入的低能耗節(jié)點(diǎn)是OSG 或CSG，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸δ芊浅?fù)雜。5G 通信的標(biāo)志性核心技術(shù)主要來自于高性能無線傳輸技術(shù)和高密度無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其中，基于大型多輸入多輸出的無線傳輸技術(shù)可以將基于4G的可視化和功率效率提升到一個(gè)新水平。實(shí)際應(yīng)用中的第一步技術(shù)步驟是高速通道的復(fù)雜設(shè)計(jì)，計(jì)算和控制。全雙工技術(shù)將為移動(dòng)通信的頻譜使用率打開新的天地，提高到新的層面。在超密集的網(wǎng)絡(luò)行業(yè)中，提高高密度無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量的關(guān)鍵問題是網(wǎng)絡(luò)協(xié)作和干擾管理。

現(xiàn)有架構(gòu)的變化是無線移動(dòng)通信體系成長的關(guān)鍵目標(biāo)。SAE /LTE 的扁平化架構(gòu)提高了當(dāng)前的移動(dòng)通信與Internet 的集成。雖然高密度，智能和可編程系統(tǒng)代表了移動(dòng)通信的發(fā)展方向，但內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）處于核心網(wǎng)絡(luò)的邊緣。

（1）超密集組網(wǎng)。現(xiàn)有的小區(qū)結(jié)構(gòu)將得到進(jìn)一步改善和分布，并且通過小區(qū)之間的協(xié)調(diào)將干擾信號(hào)轉(zhuǎn)換為有用信號(hào)，以解決小區(qū)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的小型化帶來的干擾問題。

（2）智能化?；诔Ｒ?guī)SON 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)將具有更廣泛的識(shí)別功能和更強(qiáng)大的獨(dú)特的優(yōu)化功能，利用該功能，可以識(shí)別網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶的業(yè)務(wù)需求，并在異構(gòu)環(huán)境中更好地成為網(wǎng)絡(luò)。為用戶提供更好的服務(wù)體驗(yàn)。

（3）可編程。5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)具有軟件定義的功能，并且數(shù)據(jù)層和控制層將進(jìn)一步分離。密集控制，分布式控制或它們之間的互連是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中必須解決的技術(shù)路由問題。如基站和路由交換基礎(chǔ)設(shè)施。靈活的編程和擴(kuò)展功能，以及用于復(fù)雜和不同規(guī)模的大量統(tǒng)一和集成平臺(tái)。

（4）內(nèi)容分發(fā)邊緣化部署。移動(dòng)設(shè)備訪問的內(nèi)容趨向于海洋化，但主要集中于熱門內(nèi)容和大型門戶。在5G 網(wǎng)絡(luò)中使用CDN 技術(shù)是提高網(wǎng)絡(luò)資源使用率的重要途徑。

2.2.2 自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的人力資源，主要依靠手動(dòng)方法，例如網(wǎng)絡(luò)配置和操作，以及運(yùn)營商的巨額運(yùn)營成本。根據(jù)分析，每個(gè)主要運(yùn)營商的運(yùn)營費(fèi)用實(shí)際上約占每個(gè)營業(yè)額的70%。如今，自組織網(wǎng)絡(luò)已成為新安裝網(wǎng)絡(luò)的組成部分，逐漸進(jìn)入業(yè)務(wù)領(lǐng)域并顯示出巨大的收益。 5G 體系利用快速發(fā)展的無線傳輸技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)治理比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)繁雜得多。普遍的網(wǎng)絡(luò)智能對于保證5G網(wǎng)絡(luò)的性能至關(guān)重要。是以自組織網(wǎng)絡(luò)是5G 的又一重要技術(shù)。 5G是一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其中多個(gè)融合系統(tǒng)和協(xié)作系統(tǒng)共存。

2.2.3 軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線網(wǎng)絡(luò)軟件的定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是從Internet呈現(xiàn)的一種新技術(shù)。使用傳統(tǒng)的Internet 體系結(jié)構(gòu)，必須將控制和傳輸集成在一起，關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點(diǎn)，并在本地進(jìn)行傳輸控制?？刂乒δ芴貏e繁瑣，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的立異也特別繁雜。為了處理這個(gè)問題，斯坦福大學(xué)的研究人員提出了軟件定義網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)?；舅枷胧侵醒肟刂破魍ㄟ^軟件來控制路由器的路由器的路由決策等功能?？丶c變速器的分離使控件更加靈活，設(shè)備更容易使用。在軟件定義的網(wǎng)絡(luò)中，將應(yīng)用層，控制層和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層分為控制層，這些控制層通過接口與接口層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交互，以控制接口的節(jié)點(diǎn)。因此，在這樣的體系結(jié)構(gòu)中，路由由控制器定義而不是分布式的。自從引入軟件定義的網(wǎng)絡(luò)以來，所有實(shí)驗(yàn)室都具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口，研究和測試基本技術(shù)，并且某些制造商也在提出解決方案。

2.2.4 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)是處理Internet 訪問質(zhì)量的一種發(fā)起觀點(diǎn)。在通常的內(nèi)容傳輸方式中，內(nèi)容是從內(nèi)容提供商的服務(wù)器傳輸?shù)?。隨著Internet 訪問的增加，服務(wù)器上的負(fù)載增加，Internet 上的擁塞問題增加，網(wǎng)站的反應(yīng)速度明顯變慢。對于受影響緊張的網(wǎng)站，網(wǎng)站很難向用戶提供高質(zhì)量的服務(wù)。CDN 利用網(wǎng)絡(luò)上的緩存服務(wù)器。經(jīng)過將這些緩存服務(wù)器散步在相對集中的地區(qū)和網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)絡(luò)流量，

每個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接性，收費(fèi)狀態(tài)，到用戶的距離等綜合因素，將用戶請求定向到最接近服務(wù)節(jié)點(diǎn)。它為用戶提供附近所需的內(nèi)容，糾正網(wǎng)絡(luò)堵塞并縮短訪問您網(wǎng)站的用戶的響應(yīng)時(shí)間。在無線網(wǎng)絡(luò)中，諸如智能終端之類的應(yīng)用程序的普及正在推動(dòng)對移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)和內(nèi)容的需求。在無線網(wǎng)絡(luò)中使用CDN 技術(shù)來加速網(wǎng)絡(luò)訪問是各種無線網(wǎng)絡(luò)的自然選擇，并且是5G 系統(tǒng)的重要技術(shù)。

3 移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢探討

3.1 交通方面的應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是5G 最大的應(yīng)用市場。山東濱萊高速公路已成功開展了對5G 智能聯(lián)網(wǎng)高速公路封閉測試。該測試路段已完全覆蓋5G 信號(hào)，測試車輛可以360 度感知高速公路環(huán)境以及交通與交通信息的交互以及道路，車輛和道路的連接控制車聯(lián)網(wǎng)使我國城市飛速發(fā)展，解決了一線城市交通堵塞、管理困難等問題，在科學(xué)、合理的安排下讓交通基礎(chǔ)設(shè)施最大化利用，進(jìn)一步提高交通安全水平。如圖2所示。

圖2：5G 在交通領(lǐng)域應(yīng)用

3.2 醫(yī)療方面的應(yīng)用

“醫(yī)療個(gè)性化”是最能體現(xiàn)5G 在醫(yī)療領(lǐng)域的影響。在緊急情況下，物聯(lián)網(wǎng)收集患者基礎(chǔ)的身體數(shù)據(jù)，快速處理分析和返還信息，讓患者在第一時(shí)間接受治療，搭載人工智能系統(tǒng)，幫助醫(yī)生判斷患者病情，緩解救助壓力。5G 的發(fā)展，解決了目前醫(yī)療資源分布不平衡、看病難看病貴的問題，讓更多的人享受到優(yōu)秀的醫(yī)療資源。5G 與醫(yī)療行業(yè)的融合將迎來更大的成長空間。如圖3所示。

圖3：5G 醫(yī)療應(yīng)用

3.3 農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

5G 技術(shù)給農(nóng)業(yè)帶來改變，5G+農(nóng)業(yè)被越來越多人看好。當(dāng)今現(xiàn)有的機(jī)器與農(nóng)業(yè)相融合，把收集到的數(shù)據(jù)傳送到大數(shù)據(jù)處理。然后農(nóng)民查看數(shù)據(jù)，做出相對應(yīng)的從處理方案。節(jié)省人力物力提高種植效率，取得更高產(chǎn)量移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，很大程度上取決于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展。無線移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺(tái)的使用為更多用戶提供了多種服務(wù)，而且對系統(tǒng)要求高且具有5G 功能，可以滿足用戶需求和后臺(tái)服務(wù)。5G 移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的定位是與其他移動(dòng)無線技術(shù)無縫連接并提供各種服務(wù)。根據(jù)來自世界所有國家的統(tǒng)計(jì)，移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)功能會(huì)在以下方面得到發(fā)展。

（1）新的無線傳輸技術(shù)的引入將使功耗增加10 倍以上。

（2）引入新架構(gòu)，出色的智能性和無線網(wǎng)絡(luò)工作量可以增加25 倍。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，5G 正在參與我們的生活，并越來越廣泛的被使用。目前，5G 移動(dòng)通信技術(shù)初步階段已經(jīng)完成，它將為用戶提供舒適的用戶體驗(yàn)，以適應(yīng)用戶不斷增長的需求，關(guān)鍵技術(shù)的要求和其他需求正逐步變得越來越成熟，結(jié)合不斷發(fā)展的科學(xué)技術(shù)手段，更加先進(jìn)的技術(shù)將應(yīng)用于5G 移動(dòng)通信技術(shù)以及5G移動(dòng)通信技術(shù)的新突破，讓用戶的使用體驗(yàn)越來越完美。