第五代移動通信關鍵技術

徐小晶

【摘要】 5G是面向未來的通信發展需求的移動通信系統，第五代移動通信技術興起的主要驅動力為互聯網和物聯網，將來人機交互和數據共享是人們日常生活的一部分，在這種交互下，人們的生活將會更加高效舒適。本文首先介紹了第五代移動通信技術的主要要求和挑戰。然后介紹了五種5G移動通信技術的關鍵技術，分別是大規模MIMO技術、同頻全雙工技術、毫米波頻段通信技術、高密度網絡、終端直通技術（D2D）。

【關鍵詞】 5G 關鍵技術 挑戰

5G是面向未來的通信發展需求的移動通信系統，作為研究重點，5G通信技術引起了廣泛關注。關于第五代移動通信技術標準，迄今為止不存在一個定論。第五代移動通信技術興起的主要驅動力為互聯網和物聯網，將來人機交互和數據共享是人們日常生活的一部分，在這種交互下，人們的生活將會更加高效舒適。有報告稱，相對于現在的4G技術，第五代移動通信技術的數據流量將會提升一千倍。除此之外，5G相對于傳統的3G、4G還能夠實現更多的包括手機、平板等終端設備互聯。

一、第五代移動通行的目標和挑戰

對于第五代移動通信系統，關鍵要求包括：

第一，數據速率，第五代移動通信技術發展的主要驅動力之一便是對呈現出井噴式增長的移動數據流需求的滿足上。通過不同的方式，可以對數據速率進行衡量，這些方式主要包括區域數據容量和峰值傳輸速率，對于前者，現階段形成的共識是第五代移動通信的單位區域數據流量是第四代移動通信數據流量的一千倍。后者指的是在相應的網絡狀態之下，數據傳輸速率能夠達到的最大值。

第二，延時，現階段第四代移動通信技術的延時為15ms，對于大多數客戶需求，該延時能夠滿足使用需求，但是對于一些即時應用需求，第五代移動通信需要滿足其需求，因此，其需要具備更低的延時。

第三，能量和造價，無線通信系統的功耗隨著其連接數目的增加而隨之增長，無線鏈路的數量增長一百倍，其功耗也相應地增加一百倍，所以，對于第五代移動通信技術來講，對其功耗要求應當更高，使得通信網絡更加環保，終端設備特別是物聯網設備的電池續航能力也因此發幅度提升。

在預期達到的技術方面，第五代移動通信技術相對于第四代移動通信技術更加嚴格，具體來說，移動數據流量要實現4G的1000倍，用戶數據速率要實現4G的10倍至100倍，連接設備為傳統4G的10倍至100倍，客戶端到通信端的延時縮小至傳統4G通信技術的1/5。

二、大規模MIMO技術

在系統中運用大規模的天線陣列也即大規模MIMO技術，信號傳輸路徑在系統使用多天線的情況下會增多，空間進而產生復用，系統頻譜效率和可靠性在很大程度上能夠提高。多用戶波束智能賦型在大規模天線整列運用的條件下得以實現，其定向性進而也得以增強，相對于現有MIMO技術，采用大規模天線陣列的情況下系統空間分辨率也有顯著的增強，能夠對空間維度資源進行深入廣泛地挖掘，在很大程度上提升功率效率。與此同時，對于其他用戶的干擾和發射功率由于大規模MIMO技術更為集中的波束，也能夠大大降低，功率效率得以提高。但是，對于整個射頻系統來說，大規模MIMO技術的運用，在設計過程中，急劇增加的天線數量和射頻通道增添了巨大的困難的挑戰，在射頻系統的設計過程中，這一點體現得尤為明顯。

三、同頻全雙工技術

在第五代移動通信系統中，同頻全雙工技術被認為極具潛力，能夠對頻譜資源進行更深層次地挖掘，同頻全雙工技術無疑能夠使無線頻譜資源的利用步入全新的發展階段。無線全雙工技術相對于傳統的TDD雙工技術，實現了同頻段同時收發目標，因此，在該技之下，無線頻譜利用率是過去利用率的兩倍，除此之外，該技術非常有益于無線網絡物理層的設計。現階段，該技術主要面臨的問題和障礙在于在同頻段同時收發過程中，會有巨大的自干擾產生，所以全雙工技術的核心和關鍵問題就是自干擾問題的解決。現階段關于自干擾問題的解決已有相關技術，這些技術使得同頻雙工通信不再停留于理論階段，這些技術包括通過射頻域、數字域、天線域進行自干擾的抵消，在實驗室中，現階段已經能夠實現相對于過去吞吐量1.87倍的網絡數據吞吐量的提升。除了自干擾問題，MIMO系統支持也是同頻雙工通信技術面臨的另一大障礙和問題，隨著系統天線數目的增加，自干擾消除的復雜性也呈現出井噴式增加的趨勢，對于多天線系統而言，在系統設計過程中，面臨著巨大的困難與挑戰。

四、毫米波頻段通信技術

第五代移動通信技術對傳輸速率、網絡容納量等均有很高要求，3GHz的低頻段以下的頻譜特別擁堵，相對于低頻段，高頻段頻譜資源非常豐富，完全能夠滿足第五代移動通信技術對于傳輸速率和網絡容納量方面的需求。第五代移動通信將來的發展趨勢是漢末波段移動通信，好么波段通信隨著其集成電路、射頻通信等技術的發展和成熟，將來必定能夠成為移動通信的主體技術，成為第五代移動通信技術的關鍵技術趨勢之一。對于毫米波段的移動通信技術，現階段已經有多個國家和地區的研究機構開展著相關論證和研究。韓國三星電子公司于2013年5月成功通過六十四個天線組，以28GHz頻段進行無線傳輸，該傳輸速度最快能夠達到1.056Gbps，傳輸距離最遠能夠達到兩千米。美國英特爾公司于2014年3月，推出下一代蜂窩系統中運用毫米波無線頻段的提案。法國電子和信息技術實驗室在2014年九月宣布由歐洲多個國家的運營商、供應商組成的團隊參與大規模MIMO技術實現的研究團隊中，如果研究工作成功開展，能夠提供更加理想的空間分辨率，還能夠在很大程度上提升頻譜利用效率。

五、高密度網絡

在第五代移動通信技術中，無線通信網絡的發展趨勢為不斷多元化、寬帶化、綜合化、智能化。數據流量在智能終端不斷普及和廣泛運用的背景下，呈現出井噴式發展，因此高密度的網絡部署在對數據流量需求越來越大的背景下，成為了第五代通信技術數據流量呈現出一千倍增長態勢的有效途徑之一。

在單位區域內部通過部署密集網絡可以對整個通信網絡的覆蓋程度進行改善，對系統的通信容量能夠在很大程度上進行提升，除此之外，還能夠實現業務分流，網絡部署據此能夠更加靈活，頻率復用也得以更加高效化。毫米波在穿透能力方面不太理想，因此對于其大通道寬帶系統，在網絡部署方案和基站選擇方面方面，應該注重密度問題。

六、終端直通技術（D2D）

對于一定距離范圍之內的用戶，終端直通技術能夠避開基站端，進而能夠實現直接通信，在很大程度上緩解基站的業務壓力。蜂窩通信組網在過去小區覆蓋過程中主要通過以數個基站和扇區為核心，但是，在數據容量方面，每一個基站均有有限性，通過終端直通技術，對于未來將要面對的高數據密度需求，能夠對基站業務數據實現較大幅度地緩解，與此同時，整個網絡的靈活性大大提升。過去數據業務的提供是以基站為中心，但是在第五代移動通信技術背景之下，以基站為中心的數據業務提供模式無法滿足龐大規模的用戶設備在不盡相同的使用環境中的具體業務需求。終端直通技術無需在基站的輔助之下，在不同通信終端之間便能夠實現直接通信，對于網絡的連接和接入方式也能夠有所拓展。信道質量在短距離直接通信的情況下較為理想，通信速率較高，通信時延和通信功耗較低；通信覆蓋在終端廣泛分布的情況下，能夠加以改善，頻譜資源在終端直通技術之下能夠實現高效利用，網絡鏈路能夠更加靈活和可靠。

對于第五代移動通信技術來講，其不僅僅是一種單純的技術革新，也不是幾種無線通信接入技術簡單相加，而是對多種不同的技術進行整合之后來滿足不同層次的客戶的通信需求，從這個角度來講，第五代移動通信技術是一種真正意義上的融合網絡。

參 考 文 獻

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