5G移動通信技術(shù)及發(fā)展趨勢

宋文杰

（山東省招遠(yuǎn)市廣播電視臺，招遠(yuǎn) 265400）

5G移動通信技術(shù)及發(fā)展趨勢

宋文杰

（山東省招遠(yuǎn)市廣播電視臺，招遠(yuǎn) 265400）

本文首先介紹了5G概念和特點，然后闡述了5G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)，最后對5G移動通信技術(shù)所面臨的問題和發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。

5G特點；關(guān)鍵技術(shù)；面臨問題；發(fā)展趨勢

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展和新的終端形態(tài)的演進(jìn)，包括智能家庭、智能城市、遠(yuǎn)程醫(yī)療、環(huán)保監(jiān)測等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求呈現(xiàn)爆炸式的增長趨勢。新興智能業(yè)務(wù)的層出不窮，迫切需要更加高速、高效、智能化的新一代無線移動通信技術(shù)來支撐。因此，在全球第四代移動通信（4G）網(wǎng)絡(luò)的部署方興未艾之時，第五代移動通信技術(shù)（5G）的研發(fā)已拉開大幕。5G是繼4G之后，為了滿足智能終端的快速普及和移動互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展而正在研發(fā)的新一代移動通信技術(shù)，是面向2020年以后人類信息社會需求的第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)。

2 5G概念

5G指的是第五代移動通信技術(shù)。與前四代不同，5G并不是一個單一的無線技術(shù)，而是現(xiàn)有的無線通信技術(shù)的一個融合。目前，LTE峰值速率可以達(dá)到100Mb/s，5G的峰值速率將達(dá)到10Gb/s，比4G提升了100倍。現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)處理自發(fā)能力有限，無法支持部分高清視頻、高質(zhì)量語音、增強(qiáng)現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等業(yè)務(wù)。5G將引入更加先進(jìn)的技術(shù)，通過更加高的頻譜效率、更多的頻譜資源以及更加密集的小區(qū)等共同滿足移動業(yè)務(wù)流量增長的需求，解決4G網(wǎng)絡(luò)面臨的問題，構(gòu)建一個高速的傳輸速率、高容量、低時延、高可靠性、優(yōu)秀的用戶體驗的網(wǎng)絡(luò)社會。

3 5G特點

5G網(wǎng)絡(luò)包括五大應(yīng)用場景：隨時隨地最佳體驗；支持大規(guī)模人群；超高速場景；超可靠的實時連接；無處不在的物物通信。5G有以下特點：

⊙ 相對于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)峰值速率需要提升

10倍，達(dá)到10Gb/s以上。

⊙ 相對于4G網(wǎng)絡(luò)，時延超低和可靠性高，業(yè)務(wù)時延小于5ms，可實現(xiàn)450km/h高速環(huán)境下通信。

⊙ 相對于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率高，而且平均頻譜效率需要提升5～10倍，將利用演進(jìn)及頻率倍增或壓縮等創(chuàng)新技術(shù)提升頻率利用率。

⊙ 一般用戶可獲得10Mb/s速率，特殊用戶達(dá)到100Mb/s。

⊙ 聯(lián)網(wǎng)移動設(shè)備數(shù)量增加到現(xiàn)在的100倍，網(wǎng)絡(luò)容量提升1,000倍。

⊙ 更加綠色節(jié)能的5G系統(tǒng)，通信能源消耗將是目前網(wǎng)絡(luò)的十分之一。

4 5G關(guān)鍵技術(shù)

4.1 高頻段傳輸技術(shù)

對于移動通信系統(tǒng)而言，在3GHz以下的頻段可以很好地支持移動性，有良好的覆蓋范圍，但目前在這一區(qū)間的頻譜資源十分緊張。而在3GHz以上的頻譜資源非常豐富，如果能夠有效利用這一區(qū)間的頻譜資源，將會極大地緩解頻譜資源緊張的問題，因此，高頻段的使用將會成為未來發(fā)展的趨勢，未來無線通信需要利用高頻段傳輸技術(shù)來提高系統(tǒng)容量。

4.2 MIMO技術(shù)

MIMO信道容量具備隨收發(fā)天線數(shù)中的最小值呈類似線性增加特征。通過添加多個天線，可以為無線信道帶來更大的自由度，以容納更多的信息數(shù)據(jù)。MIM0可以大幅增加系統(tǒng)的吞吐量及傳送距離，運用大規(guī)模多天線技術(shù)MIM0已成為提高系統(tǒng)頻譜利用率和傳輸可靠性的有效手段，為大幅度提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量提供了一個有效的途徑。

4.3 全雙工技術(shù)

全雙工通信技術(shù)即同時同頻地進(jìn)行雙向通信技術(shù)。在無線通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)有著固有的發(fā)射和接收信號的自干擾，當(dāng)前因技術(shù)條件限制，無法實現(xiàn)同時同頻的雙向通信。全雙工技術(shù)在理論上可提高頻譜利用率的一倍潛力，可以實現(xiàn)更為靈活的頻譜使用，同時因為器件技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，同時同頻的全雙工技術(shù)將在5G移動通信系統(tǒng)中得到充分地挖掘和應(yīng)用。

4.4 設(shè)備間直接通信技術(shù)（D2D）

傳統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)方式，是以基站為中心實現(xiàn)小區(qū)覆蓋，中繼站及基站不能移動，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活度有限制。未來5G網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)流量大，用戶規(guī)模大，傳統(tǒng)的以基站為中心的業(yè)務(wù)組網(wǎng)方式，無法滿足業(yè)務(wù)需求。D2D直接通信技術(shù)能夠在沒有基站的中轉(zhuǎn)下，實現(xiàn)通信設(shè)備之間的直接通信，拓展了網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式。D2D技術(shù)是短距離直接通信，信道質(zhì)量高，具有較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時延和較低的功耗；通過廣泛分布的終端設(shè)備，能夠改善覆蓋，實現(xiàn)頻譜資源的高效利用；支持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法，提升鏈路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。

4.5 多載波技術(shù)

在5G系統(tǒng)中，為了達(dá)到高數(shù)據(jù)速率，將可能需求高達(dá)1GHz的帶寬，但在低頻段難以獲得連續(xù)的寬帶頻譜資源，在這些頻段中，有的無線傳輸系統(tǒng)，比如電視網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在白頻譜資源，這些白頻譜的位置可能是不連續(xù)的，希望在5G中能夠采用新型的多載波技術(shù)實現(xiàn)對這些頻譜的使用。

4.6 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)

為了滿足未來大規(guī)模、高容量的業(yè)務(wù)需求，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將具有低時延、低成本、扁平化、易維護(hù)等優(yōu)點。新型無線接入網(wǎng)架構(gòu)具有基于協(xié)作式無線電技術(shù)、集中化處理技術(shù)、實時云計算構(gòu)架技術(shù)的優(yōu)點。其本質(zhì)是通過充分利用低成本高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)，直接在遠(yuǎn)端天線和集中化的中心節(jié)點間傳送無線信號，以構(gòu)建覆蓋上百個基站服務(wù)區(qū)域，甚至上百平方公里的無線接入系統(tǒng)。

4.7 網(wǎng)絡(luò)智能化技術(shù)

5G的中心網(wǎng)絡(luò)將是一個大型服務(wù)器組成的云計算平臺，通過具有數(shù)據(jù)交換功能的路由器及交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)與基站相連，宏基站具有云計算和大數(shù)據(jù)存儲功能，特別大或時效性強(qiáng)的數(shù)據(jù)將提交云計算中心網(wǎng)絡(luò)處理，基站或終端的形態(tài)、數(shù)量多，不同的業(yè)務(wù)采用不同的頻段，天線和連接方式多樣。因此，需要具有智能配置、智能識別、自動模式切換的功能，實現(xiàn)智能自主組網(wǎng)，未來智能化技術(shù)將是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.8 軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，控制和轉(zhuǎn)發(fā)是集成在一起的，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)節(jié)點（如路由器、交換機(jī)）是封閉的，其轉(zhuǎn)發(fā)控制必須在本地完成，使得它們的控制功能非常復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新復(fù)雜度高。軟件定義網(wǎng)絡(luò)的基本思路將路由器中的路由決策等控制功能從設(shè)備中分離出來，統(tǒng)一由中心控制器通過軟件來進(jìn)行控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)和控制的分離，從而使得控制更為靈活，設(shè)備更為簡單。

5 5G技術(shù)面臨的問題

5.1 技術(shù)與系統(tǒng)融合問題

隨著芯片技術(shù)的更新?lián)Q代和智能終端的快速發(fā)展，無線移動通信業(yè)務(wù)和技術(shù)不斷拓展和相互融合。未來的5G網(wǎng)絡(luò)將是一個集成多業(yè)務(wù)、多技術(shù)的融合網(wǎng)絡(luò)，是一個多層次覆蓋的通信系統(tǒng)。要將多種接入技術(shù)、多種業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)以及多層次覆蓋的系統(tǒng)進(jìn)行綜合集成、有機(jī)融合、高效利用等，就目前技術(shù)而言，還有許多需要解決的問題。

5.2 頻譜效率和容量問題

要實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量大、用戶規(guī)模大、數(shù)據(jù)速率高、永遠(yuǎn)在線的需求目標(biāo)，必須研發(fā)擴(kuò)展頻率、提高容量和空間效率、提升系統(tǒng)覆蓋層次和站點密度等各種通信技術(shù)。例如，超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多天線技術(shù)和多址技術(shù)、多輸入多輸出（MIMO）空間傳輸技術(shù)等新型通信技術(shù)，將成為未來5G技術(shù)的重要研究方向。新型傳輸技術(shù)的啟用和組網(wǎng)方式的創(chuàng)新，將增加設(shè)備的復(fù)雜度和研發(fā)成本，對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營維護(hù)帶來重大挑戰(zhàn)。

5.3 終端設(shè)備問題

5G是一個多技術(shù)的集成網(wǎng)絡(luò)，融合了目前2G，3G，4G的技術(shù)，并將啟用和開發(fā)多種新興技術(shù)。5G終端設(shè)備將支持5～10個甚至更多不同的無線通信技術(shù)，并且要支持1Gb/s以上空間速率，待機(jī)時間達(dá)到現(xiàn)有的4～5倍。因此，要實現(xiàn)低成本多模終端的研發(fā)，對終端設(shè)備的芯片和工藝、射頻技術(shù)以及器件、電池壽命等技術(shù)研發(fā)帶來了挑戰(zhàn)。

5.4 網(wǎng)絡(luò)能耗與成本降低問題

5G目標(biāo)是提供1,000倍數(shù)據(jù)流量，并且運營成和用戶成本不能增加，這就意味網(wǎng)絡(luò)總體能耗和體成本基本不能提升。因此，5G網(wǎng)絡(luò)的端到端比能耗效率就要提升1,000倍，并且降低單位比特開銷1,000倍，這對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、空間傳輸、內(nèi)容分發(fā)、交換路由、網(wǎng)絡(luò)管理和優(yōu)化等技術(shù)帶來挑戰(zhàn)。

5.5 產(chǎn)業(yè)生態(tài)問題

傳統(tǒng)的3G，4G通信系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)運營商和技術(shù)為主體，未來5G網(wǎng)絡(luò)是以用戶體驗和業(yè)務(wù)應(yīng)用為主體，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、管控理念并不適用未來5G的產(chǎn)業(yè)生態(tài)結(jié)構(gòu)和潛在的新興運營模式。因此，需要發(fā)展諸如軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）新技術(shù)來滿足未來業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，解決產(chǎn)業(yè)生態(tài)結(jié)構(gòu)問題。

6 5G移動通信技術(shù)發(fā)展的趨勢

5G移動通信技術(shù)，已經(jīng)成為移動通信領(lǐng)域的全球性研究熱點。隨著科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，5G移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)會得以明確，在未來幾年，該技術(shù)會進(jìn)入實質(zhì)性的發(fā)展階段，即標(biāo)準(zhǔn)化的研究與制定階段。同時，5G移動通信系統(tǒng)的容量也會大大提升，其途徑主要是進(jìn)一步提高頻譜效率、變革網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、開發(fā)并利用新的頻譜資源等。

2013年初，歐盟等國家的第7框架計劃中啟動了關(guān)于5G的研發(fā)項目，共有29個參加方，我國的華為公司也參與其中。隨著該項目的啟動，各種5G移動通信技術(shù)的研發(fā)組織應(yīng)運而生，如韓國成立的5G技術(shù)論壇，中國成立的IMT-2020(5G)推進(jìn)組等。目前，世界各個國家正積極就5G移動通信技術(shù)的應(yīng)用需求、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)、使能技術(shù)、候選頻段、發(fā)展愿景等各個方面進(jìn)行全面的研討，以期在2015年召開世界無線電大會時達(dá)成共識，在2016年后積極啟動關(guān)于5G移動通信技術(shù)的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程。

移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展是推動5G移動通信技術(shù)發(fā)展的主要動力，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是各種新興業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)平臺，目前現(xiàn)有的固定互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的各種服務(wù)業(yè)務(wù)將通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式提供給用戶，后臺服務(wù)及云計算的廣泛應(yīng)用勢必會對5G移動通信技術(shù)系統(tǒng)提出較高的要求，尤其是在系統(tǒng)容量要求與傳輸質(zhì)量要求上。

5G移動通信技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)主要定位在要密切銜接其他各種無線移動通信技術(shù)上，為快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)提供全方位和基礎(chǔ)性的業(yè)務(wù)服務(wù)。就世界各國的初步估計，包括5G移動通信技術(shù)在內(nèi)的無線移動網(wǎng)絡(luò)，其在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)能力上的提升勢必會在三個維度上同步進(jìn)行：第一，引進(jìn)先進(jìn)的無線傳輸技術(shù)之后，網(wǎng)絡(luò)資源的利用率將在4G移動通信技術(shù)的基礎(chǔ)上提高至少10倍以上；第二，新的體系結(jié)構(gòu)（如高密集型的小區(qū)結(jié)構(gòu)等）的引入，智能化能力在深度上的擴(kuò)展，有望推進(jìn)整個無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐率提升大概25倍左右；第三，深入挖掘更為先進(jìn)的頻率資源，比如可見光、毫米波、高頻段等，使得未來的無線移動通信資源較4G時代擴(kuò)展4倍左右。為了提升5G移動通信技術(shù)的業(yè)務(wù)支撐能力，其在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面和無線傳輸技術(shù)方面勢必會有新的突破。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，將采用更智能、更靈活的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，比如采用控制與轉(zhuǎn)發(fā)相互分離的軟件來定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、異構(gòu)超密集的部署等。在無線傳輸技術(shù)方面，將會著重于提升頻譜資源利用效率和挖掘頻譜資源使用潛能，比如多天線技術(shù)、編碼調(diào)制技術(shù)、多址接入技術(shù)，等等。

7 結(jié)束語

當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，將有力推動5G移動通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。目前，5G移動通信技術(shù)的科研尚處于起步階段，并即將邁入發(fā)展的關(guān)鍵時期，其關(guān)鍵指標(biāo)和技術(shù)需求都會在未來幾年內(nèi)陸續(xù)出臺，屆時將引領(lǐng)我國移動通信行業(yè)的新一輪變革。

[1]尤肖虎．5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國科學(xué)，2014(5)

[2]董利，陳金鷹，劉世林等.第五代移動通信初探[J].通信與信息技術(shù)，2013(5):53-55

5G Mobile Communication Technology and Development Trend

Song Wenjie
(Zhao Yuan Television Station, Zhaoyuan, 265400)

Firstly, the 5G concept and characteristics were introduced, and then the key technology of 5G mobile communication in detail, finally the problems and development trend of 5G mobile communication technology are analyzed.

The characteristics of 5G; Key technology; Facing the problem; Development trend

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.08.011

TN929.53文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2015）08-0039-04

宋文杰，男，1973年生，助理工程師，主要從事廣播電視技術(shù)工作。