5G移動通信應用與無線關鍵技術研究

姜海洋

【摘要】移動通信從第一代發(fā)展到第五代實現(xiàn)了從模擬到數(shù)字、語音到數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)到移動物聯(lián)網(wǎng)的演進。相比上一代移動通信網(wǎng)，5G通過在空口、傳輸、網(wǎng)絡等方面各種關鍵技術的突破，具有更高的速率、更大的容量、更低的時延，同時安全性、可靠性更高，面向移動寬帶和移動物聯(lián)等應用，滿足各類細分業(yè)務場景的性能指標要求，構建起人、網(wǎng)、物聯(lián)通的高速、移動、安全、泛在的新一代信息社會。

【關鍵詞】5G移動通信;應用;無線;關鍵技術

中圖分類號：TN929 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.22.014

5G無線網(wǎng)絡信息技術，通過全體工作人員的不懈努力，必然會以更加成熟和完善的狀態(tài)，完全取代以往傳統(tǒng)的信息科技，成為未來通訊技術發(fā)展的重要方向。未來必然將會是由5G科技引領的全新智能時代，我國的信息通信領域，也必然會因為5G技術的實現(xiàn)，而進入一個嶄新的里程。

1. 5G無線通信技術的含義

5G是具有高速率、低時延和大連接特點的新一代寬帶移動通信技術，是實現(xiàn)人機物互聯(lián)的網(wǎng)絡基礎設施。

作為新一代移動通信技術，其網(wǎng)絡架構、無線技術、應用場景都有了巨大的改變，有大量技術被整合在其中，5G的關鍵技術包括：靈活的網(wǎng)絡架構、超密集異構無線網(wǎng)絡、MassiveMIMO（大規(guī)模多輸入多輸出）、毫米波通信、SDN（軟件定義網(wǎng)絡）和NFV（網(wǎng)絡功能虛擬化）等。

與4G相比，5G可以提供小于1ms的端到端時延以及99.9999%的可靠性，極大豐富了網(wǎng)絡應用場景。下面詳細介紹5G無線通信系統(tǒng)關鍵性技術。

2. 5G無線通信技術的特點

2.1 5G技術具備極強的創(chuàng)新性

5G技術其最顯著的特點就是它具有超強的創(chuàng)新性能。該項技術采用了多載波分子操作方式，同時利用先進的數(shù)字化平臺，突破了傳統(tǒng)的通訊條件限制，增強了網(wǎng)絡對于各項數(shù)據(jù)和編碼程序的有效識別能力，拓展了數(shù)據(jù)信息的輸送渠道，改善了網(wǎng)絡通訊的質(zhì)量。使室內(nèi)網(wǎng)絡連接的效果得到了有效提升，改善了以往其他通訊技術室內(nèi)網(wǎng)絡不夠通暢的缺陷，使用戶無論在室內(nèi)還是在室外，都能夠享受到良好的通訊質(zhì)量。

2.2 5G網(wǎng)絡具備極高的利用頻率

5G技術采用了高頻率的赫茲，并且運用結合了信息規(guī)劃的模式，徹底實現(xiàn)了信息科技的改革與調(diào)整。在網(wǎng)絡科技運行的時候，它能夠迅速完成對于各種數(shù)據(jù)信息的匯總，假使遇到被接收的信息強度過高，超出預定的標準范圍，5G系統(tǒng)就會自動匯報給服務總臺，然后經(jīng)過平臺自動分析，再決定系統(tǒng)是否需要進行自動更新。

2.3 5G網(wǎng)絡所需要的成本更低

5G通信技術由于其網(wǎng)速快，容量大，安全性能高等特點，一經(jīng)出現(xiàn)，便引起社會各界的廣泛關注。在具體的運行程序中，5G技術首先通過不同的信息通道，設置完成相應的網(wǎng)絡渠道，以降低通道堵塞的概率，保障信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性。其次通過其極強的信息識別能力，將網(wǎng)絡內(nèi)流通的信息自動劃分成不同等級，并對其中指定的內(nèi)容進行加強保護，以確保網(wǎng)絡信息的安全性。此外，由于5G技術充分地利用了各種最新的科技能源，有效地降低了其使用成本，從而達到了提高通訊企業(yè)經(jīng)濟收益的最終目的。

3. 5G關鍵技術與實現(xiàn)

3.1 無線空口

靈活的參數(shù)配置：相比于4G，5G子載波間隔在15kHz的基礎上采用2u擴展（?=0，1，2，3，4），使物理層資源在時域和頻域上具有多種不同大小的粒度，可支持多種信道帶寬、滿足多樣的應用和部署需求，另一方面有利于不同參數(shù)集波形的共存、實現(xiàn)靈活調(diào)度。

5G上下行均可采用CP-OFDM波形，支持多層傳輸，從而支持更高的傳輸速率和資源利用率。

新型信道編碼：5G采用了在性能上接近或“達到”Shannon極限，且復雜度較低易于實現(xiàn)的新型信道編碼方案，如LDPC（LowDensityParityCode）碼和極化碼（PolarCode），與4G信道編碼相比，具有更高的呑吐率、更低的處理時延。

NOMA：非正交多址接入（Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA）技術在功率域由單用戶獨占改為多用戶共享，通過發(fā)送端功率復用和接收端串行干擾消除（SuccessiveInterferenceCancellation，SIC），使得系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率都得到了有效提高。

3.2 無線傳輸

新型調(diào)制編碼：為達到更高的速率，5G采用更高階的調(diào)制和編碼策略（modulationandcodingscheme，MCS），根據(jù)信道信號與噪聲和干擾的比值（SINR），采用鏈路自適應算法確定最佳調(diào)制編碼方案，上下行最高支持256QAM調(diào)制方式，提高了峰值速率，進一步提升空口頻譜效率。

MassiveMIMO：大規(guī)模天線技術采用大量收發(fā)信通道（TRX）以及大量高增益天線陣列實現(xiàn)信號水平和垂直方向的3D賦形，利用陣列增益和空間復用特性同時傳輸多路不同的數(shù)據(jù)，在保證不改變發(fā)射功率和頻率資源的狀態(tài)下，同時具備多天線賦形增益和多用戶復用增益，在降低干擾、增強系統(tǒng)覆蓋能力的同時，提高小區(qū)容量及邊緣用戶的傳輸速率，也提升了系統(tǒng)頻譜效率和傳輸?shù)目煽啃?，并且能耗并不會增加?/p>

毫米波通信：相比于中低頻段，毫米波可用帶寬充足，天線體積小、增益較高，適合SmallCells、室內(nèi)、固定無線和回傳等場景部署。毫米波可以更好地與大規(guī)模MIMO結合，借助天線增益和先進的波束賦形技術顯著地提高覆蓋能力，從而在一定程度上補償其高傳輸損耗，并成倍提升小區(qū)容量和峰值速率在提高網(wǎng)絡部署密度的同時降低部署難度。

3.3 超密集異構無線網(wǎng)絡技術

HetNet（異構網(wǎng)絡）是指在宏蜂窩覆蓋范圍內(nèi)部署低功率節(jié)點，通過“多樣化的設備形態(tài)、差異化的覆蓋方案、多頻段組網(wǎng)方式”等實現(xiàn)分層立體網(wǎng)絡。

近年來，隨著科技的進步，集成電路產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，通信設備和用戶終端的性能得到了極大的提升。通信技術與計算機技術結合的應用日益廣泛，居民生活中已經(jīng)運用無線接入技術來滿足自身的信息獲取需求。在5G時代，移動通信網(wǎng)絡將是一種基于宏基站、微站與室分分層實現(xiàn)信號覆蓋的集Wi-Fi（無線連接）、5G、LTE（長期演進）等多種網(wǎng)絡制式于一身的多元化超密集異構網(wǎng)絡。

為了實現(xiàn)負載均衡轉(zhuǎn)移、提升網(wǎng)絡吞吐量以及彌補單一宏基站覆蓋導致的網(wǎng)絡空洞，異構網(wǎng)絡中融合了多個發(fā)射功率不同的節(jié)點。在超密集異構網(wǎng)絡中，多種網(wǎng)絡制式共存。立足于“多網(wǎng)協(xié)同”“低成本建設”原則，宏基站主要用于連續(xù)廣域覆蓋，完成網(wǎng)絡的底層覆蓋，是網(wǎng)絡的中堅力量。微站和室分針對熱點和盲點區(qū)域，進行補充覆蓋，兼顧網(wǎng)絡的覆蓋和容量。

由于傳統(tǒng)接入節(jié)點所具有的選擇機制并不能滿足多元通信制式的異構通信系統(tǒng)網(wǎng)絡，因此急需對異構網(wǎng)絡環(huán)境下的最優(yōu)接入選擇進行研究，如覆蓋范圍擴展機制、垂直切換機制等，其本質(zhì)都是根據(jù)網(wǎng)絡的復雜特點，在保證負載均衡和QoS（服務質(zhì)量）需求的基礎上，找到一個平衡點，最大效率使用網(wǎng)絡資源，進一步實現(xiàn)降本增效。

3.4 MassiveMIMO和波束成形

波束成形是一種天線技術，主要原理是通過調(diào)整發(fā)射天線陣列形成的信號方向、相位和幅度，接收器使用不同的比例因子相干地組合接收到的信號，最大化提升接收信號的信噪比。天線陣列系統(tǒng)中的這種信噪比增益就是所謂的波束成形增益。

MassiveMIMO提高了傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率和容量，利用多個天線來實現(xiàn)復用增益。并行數(shù)據(jù)流通過多個天線傳輸以提高分集增益，增加接收器的信噪比來降低誤碼率，消除多用戶系統(tǒng)中的同信道干擾。MassiveMIMO提供大量的自由度，可以使用波束成形增益來最小化衰落效應和傳輸能量。

采用多個數(shù)據(jù)流的波束成形，稱為預編碼，用于進一步提高毫米波通信系統(tǒng)的頻譜效率。在傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)中，波束成形和預編碼通常在數(shù)字域中實現(xiàn)，所有信號處理技術都在基帶上執(zhí)行。在數(shù)字波束成形中，每個天線都必須連接到至少一個射頻鏈，這將會導致毫米波MassiveMIMO系統(tǒng)的復雜性和成本的增高。相比之下，混合波束成形采用具有較低射頻鏈的模擬移相器，讓系統(tǒng)在同等性能的條件下簡化其復雜性和成本。使用混合波束成形，在數(shù)字域中，首先使用數(shù)字域中的數(shù)字預編碼器對發(fā)射信號進行處理。在模擬域中，傳統(tǒng)的模擬波束成形通?；谏漕l移相器構建，用于將信號輸出到低復雜度的天線陣列。在接收方，以相反的順序執(zhí)行相同的過程。混合波束成形利用數(shù)字預編碼和模擬波束成形方法在頻譜、能源效率和硬件復雜性之間進行有效的平衡，以充分利用模擬波束成形和數(shù)字波束成形的潛在優(yōu)勢。

4. 后5G展望

未來，B5G及6G將以5G應用場景為基礎，向速率維度、空間維度以及智慧維度等三維擴展。即通信速率由Gbit/s達到Tbit/s量級以上;通信空間由目前的陸地覆蓋拓展至海洋、天空、太空場景下的多域和廣域覆蓋;通信智慧由目前單一設備的智能處理演進至多設備、多網(wǎng)絡之間的協(xié)同跨域智能處理，并且從信息傳輸、處理及應用層面進一步加強和深化通信智慧。

與5G相比，6G要在大多數(shù)技術領域保持10～100倍的性能提升，即6G需要達到1Tbit/s的峰值速率，能為特定用例（如工業(yè)控制、自動駕駛）提供低于1ms的時延，擁有不高于十億分之一錯誤位的高可靠傳輸能力，且可為海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務提供大于每平方公里107節(jié)點的連接密度。

6G將采用新型波形技術、多址接入技術、新型編碼技術及無蜂窩大規(guī)模MIMO技術等先進的無線接入關鍵技術，探索更高頻率太赫茲頻段，實現(xiàn)全頻譜應用;利用衛(wèi)星、臨近空間飛行器等拓展覆蓋、構造天地融合全球泛在的通信網(wǎng)絡。

當前，5G無線通信系統(tǒng)已經(jīng)在我國社會各領域中廣泛運用，但是在垂直行業(yè)方面的應用及基于5G的創(chuàng)新仍在探索中，未來5G將在各個領域持續(xù)推動創(chuàng)新。為推動5G應用向成熟階段快速邁進，用于5G毫米波MIMO通信的混合波束成形收發(fā)器系統(tǒng)及綠色通信技術，將是持續(xù)關注的重點。

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