5G移動通信技術特點及關鍵技術

郭養雄

【摘要】隨著現代社會信息化的快速發展，2020年后物聯網、智慧城市、大數據、云計算等信息化技術將快速發展，研究下一代移動通信技術（5G）迫在眉睫。5G通信技術發展應需求而生的。本文從移動通信技術的發展歷程展開分析，對下一代5G移動通信關鍵技術進行介紹。

【關鍵詞】5G；移動通信；關鍵技術

【Abstract】With the rapid development of information technology in modern society， Internet of things after 2020， the wisdom city， big data and cloud computing， information technology will be rapid development， research of the next generation of mobile communication technology （5 g） is imminent. The development of 5G communication technology should be born of demand. This paper analyzes the development of mobile communication technology and introduces the key technologies of 5G mobile communication.

【Key words】Mobile communication；Key technologies

1. 移動通信技術的發展歷程

（1）移動通信技術發展到現在，經歷了四個發展階段，第一代（1G）通信技術自上世紀80年代初期被提出，是通過模擬傳輸，因此具有速度低、質量差、安全性差、沒有加密、業務量小的特點及不足。

（2）第二代（2G）通信技術的發展開始于二十世紀九十年代初期，采用更密集技術結構、引用智能技術等，較1G技術有所進步，但依然不能真正滿足移動通信業務的發展需求。

（3）第三代（3G）通信技術的問世，通過應用智能信號等處理技術，該技術中頻譜利用效率還是比較低，頻譜資源利用率低。

（4）第四代（4G）通信技術在這種背景下提出，其視頻圖像傳輸的效果可以媲美高清晰電視；擁有極高的下載速度及靈活的計費方式等，具有前三代無可比擬的先進性。

（5）第五代（5G）通信系統，作為當前最新一代的通信系統，符合了移動通信技術之發展規律，較第四代通信技術相比，其用戶體驗、傳輸延時、系統安全和覆蓋性能能等各方面都有顯著的提高。5G移動通信技術將緊密結合其他通信技術，構成新一代無比先進的移動信息網絡。在未來十年的時間內，能夠滿足人們對移動通信技術的發展需求。

2. 我國5G發展情況

（1）我國5G技術研發試驗于2016-2018年進行，分為5G關鍵技術試驗、5G技術方案驗證、5G系統驗證三個階段實施。

（2）5G是新一代移動通信技術發展的主要方向，是未來新一代信息基礎設施的重要組成部分。與4G相比，不僅將進一步提升用戶的網絡體驗，同時還將滿足未來萬物互聯的應用需求。

（3）從用戶體驗看，5G具有更高的速率、更寬的帶寬，預計5G網速將比4G提高10倍左右，只需要幾秒即可下載一部高清電影，能夠滿足消費者對虛擬現實、超高清視頻等更高的網絡體驗需求。

（4）從行業應用看，5G具有更高的可靠性，更低的時延，能夠滿足智能制造、自動駕駛等行業應用的特定需求，拓寬融合產業的發展空間，支撐經濟社會創新發展。

（5）從發展態勢看，5G目前還處于技術標準的研究階段，今后幾年4G還將保持主導地位、實現持續高速發展。但5G有望2020年正式商用。

3. 5G技術特點

（1）頻譜利用率高。

在5G移動通信技術中，高頻段的頻譜資源將被應用的更為廣泛，但是在目前科技水平條件下，由于會受到高頻段無線電波的穿透能力影響，高頻段頻譜資源的利用效率還是會受到某種程度的限制，但這不會影響光載無線組網、有線與無線寬帶技術的融合等技術的普遍應用。

（2）通信系統性能有很大提高。

傳統的通信系統理念，是將信息編譯碼、點點之間的物理層面傳輸等技術作為核心目標，而5G移動通信技術的不同之處在于，它將更加廣泛的多點、多天線、多用戶、多小區的相互協作、相互組網作為重點的研究突破點，以大幅度提高通信系統的性能。

（3）設計理念先進。

在通信業務中，占據主導地位的是室內通信業務的應用，5G移動通信系統的優先設計目標定位在室內無線網絡的覆蓋性能及其業務支撐能力上，這將改變傳統移動通信系統的設計理念。

（4）能耗和運營成本降低。

5G無線網絡的“軟”配置設計，將是未來該技術的重要研究、探索方向，網絡資源可以由運營商根據動態的業務流量變化而實時調整，這樣，可以有效降低能耗和網絡資源運營成本。

（5）主要指標。

5G通信網絡技術的研究，將更為注重用戶體驗、交互式游戲、3D、虛擬實現、傳輸延時、網絡的平均吞吐速度、效率等，以上指標將成為考量5G網絡系統性能的關鍵指標。

4. 5G關鍵技術

5G網絡關鍵技術總體框架如下圖1所示：

4.1 超密集異構網絡。

未來5G網絡正朝著網絡多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向發展。隨著各種智能終端的普及，面向2020年及以后，移動數據流量將呈現爆炸式增長。在未來5G網絡中、減小小區半徑、增加低功率節點數量是保證未來5G網絡支持1 000倍流量增長的核心技術之一。因此，超密集異構網絡成為未來5G網絡提高數據流量的關鍵技術。超密集異構網絡組網如下圖2所示：endprint

在超密集網絡中，密集地部署使得小區邊界數量劇增，加之形狀的不規則，導致頻繁復雜的切換。為滿足切換需要具備以下關鍵技術：

（1）垂直切換預判算法。為了滿足移動性需求，勢必使用新的垂直切換算法；

（2）網絡動態部署技術。用戶節點的開啟和關閉具有突發性和隨機性，使得網絡拓撲和干擾大范圍動態變化。

4.2 自組織網絡。

（1）在未來5G網絡中，將面臨網絡的部署、運營及維護的挑戰，這主要是由于網絡存在各種無線接入技術，且網絡節點覆蓋能力各不相同，它們之間的關系錯綜復雜。因此，自組織網絡（self-organizing network SON）的智能化將成為5G網絡必不可少的一項關鍵技術。

（2）SON的思路是在網絡中引入自組織能力 （網絡智能化 ），包括自配置、自優化、自愈合等。SON包括自配置、自優化和自治愈等功能，在越來越復雜的5G網絡中，通過對大量關鍵性能指標（KPIs）和網絡配置參數以及功能實體的智能管理，一方面可以降低網絡運營商的網絡運行開銷，另一方面可以提高網絡性能。SON可以看成是對傳統的靠人工管理的網絡管理系統（Operation Administration and Maintenance， OAM）的自動化升級。使得運營商在進行網絡規劃、網絡配置及網絡優化時具有更高的自動化程度。

4.3 內容分發網絡。

在未來5G中，面向大規模用戶的音頻、視頻、圖像等業務急劇增長，網絡流量的爆炸式增長會極大地影響用戶訪問互聯網的服務質量。如何有效地分發大流量的業務內容，降低用戶獲取信息的時延，成為網絡運營商和內容提供商面臨的一大難題。僅僅依靠增加帶寬并不能解決問題，它還受到傳輸中路由阻塞和延遲、網站服務器的處理能力等因素的影響，這些問題的出現與用戶服務器之間的距離有密切關系。內容分發網絡 （content distribution network，CDN）會對未來5G網絡的容量與用戶訪問具有重要的支撐作用。CDN網絡架構如下圖3所示：

4.4 D2D 通信。

4.4.1 在未來5G網絡中，網絡容量、頻譜效率需要進一步提升，更豐富的通信模式以及更好的終端用戶體驗也是 5G 的演進方向。設備到設備通信（ device-to-device communication，D2D）具有潛在的提升系統性能、增強用戶體驗、減輕基站壓力、提高頻譜利用率的前景。因此，D2D是未來5G網絡中的關鍵技術之一（D2D網絡通信模式見圖4）。

4.4.2 D2D關鍵技術有以下幾方面：

（1）D2D發現技術，實現鄰近D2D終端的檢測及識別。

（2）D2D同步技術。多跳D2D網絡會對保持系統的同步特性要求高。

（3）無線資源管理。D2D包括廣播、組播、單播、多跳傳輸、網狀組網等各種通信模式，因此調度及無線資源管理問題更復雜。

（4）功率控制和干擾協調。相比傳統的Peer-to-Peer（P2P）技術，基于蜂窩網絡的D2D通信的一個主要優勢在于干擾可控。

（5）通信模式切換。包括D2D模式與蜂窩模式的切換、基于蜂窩網絡D2D與其他P2P（如WLAN）通信模式的切換、授權頻譜D2D通信與LTE-U D2D通信的切換等。

4.5 M2M通信。

M2M（machine to machine，M2M）作為物聯網在現階段最常見的應用形式，在智能電網、安全監測、城市信息化、環境監測等領域實現了商業化應用。到2020年，全球物與物之間的通信將是人與人之間通信的30倍。500億臺M2M設備將活躍在全球移動網絡中。蜂窩M2M通信的系統模型見下圖5。

4.6 信息中心網絡。

（1）隨著實時音頻、高清視頻等服務的日益激增，基于位置通信的傳統TCP/IP網絡無法滿足海量數據流量分發的要求。網絡呈現出以信息為中心的發展趨勢。

（2）ICN所指的信息包括實時媒體流、網頁服務、多媒體通信等，而信息中心網絡就是這些片段信息的總集合。ICN的主要概念是信息的分發、查找和傳遞，以信息為中心的網絡通信模型， IP地址將作為一種傳輸標識。全新的網絡協議棧能夠實現網絡層解析信息名稱、路由緩存信息數據、多播傳遞信息等功能，從而較好地解決計算機網絡中存在的擴展性、實時性以及動態性等問題。信息中心網絡如圖6所示：

（3）盡管ICN可以解決現有IP網絡的固有問題，但在擴展性、數據移動性及大范圍部署等方面存在不足，其中最為突出的是部署性問題。由于現有IP網絡擁有廣泛的覆蓋范圍，且成功地運營了幾十年，ICN的提出無疑是對IP網絡的挑戰。因此，未來5G網絡應更加注重ICN與IP網絡的結合，使得ICN的發展更加實用。

4.7 SDN/NFV。

4.7.1 隨著網絡通信技術和計算機技術的發展，互聯網+、三網融合、云計算服務等新興產業對互聯網在可擴展性、安全性、可控可管等方面提出了越來越高的要求。SDN（software-defined networking，軟件定義網絡）/NFV（network function virtualization，網絡功能虛擬化）作為一種新型的網絡架構與構建技術，其倡導的控制與數據分離、軟件化、虛擬化思想，為突破現有網絡的困境帶來了希望。

4.7.2 SDN架構的核心特點是開放性、靈活性和可編程性。主要分為3層：

（1）轉發層：包括大量基礎網絡設備，該層根據控制層下發的規則處理和轉發數據；

（2）控制層：主要負責對數據轉發面的資源進行編排、控制網絡拓撲、收集全局狀態信息等；

（3）應用層：通過開放的北向API對網絡資源進行調用。

SDN/NFV架構如下圖7所示：endprint

4.8 情境感知技術。

（1）隨著海量設備的增長，未來的5G網絡不僅承載人與人之間的通信，而且還要承載人與物之間以及物與物之間的通信，既可支撐大量終端，又使個性化、定制化的應用成為常態。情境感知技術是在支撐大量終端數據的基礎上，為用戶推送個性、智能信息服務。

（2）在情境感知技術的實踐應用中，考慮基礎設備、網絡元件、網絡數據庫、分析平臺等內容，立足于QoS移動性特征，以訪問服務屬性所映射的5G配置為基本內容，感知各個WSN節點所收集的傳感信息，并與計算機設備、PDA、智能手機等設備相聯合，主動為用戶提供舒適性服務。以5G移動網絡技術為代表智能運營業務，移動設備可支持多種無線網絡，由開放式傳輸協議來實現管控程序，利用情境感知技術可為網絡利用速率提供多樣化通信服務，用于訪問服務屬性映射至5G配置特征（基本屬性涵蓋安全等級、QoS、移動性、可靠性等），涵蓋NFC、BLUETOOTH等無線通信平臺，為“網絡適應業務”提供實踐輔助（涉及相應業務應用、參照運營商業務策略等內容）。

5. 結束語

（1）整合5G移動通信技術的關鍵要點，圍繞技術要點的基本評判指標，從移動信號的覆蓋范圍、傳輸速率、系統資源、頻譜利用率等方面考慮，構建5G移動通信網絡應用機制，發揮通信網絡的基本功效。5G通信技術主要以連續廣域覆蓋、熱點高容量、功耗連接、時延寬帶為基本應用場景，立足于用戶體驗速率、流量密度、能效及其連接數，成為當下解決的主要應用目標。在未來5G移動通信技術的持續發展中，以超密集異構網絡、毫米波通信、大規模MIMO技術等內容為典型代表，改建原有的OFDM技術（正交頻分復用），為5G系統的關鍵技術提供更加便捷化的適用條件。

（2）從綜合實踐方面來看，5G網絡融合多種無線通信技術，可為解決頻率許可、頻譜管理問題提供參考價值，具有較強的安全性能、經濟收益。

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[文章編號]1619-2737（2017）07-20-678endprint