5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展

魏蓓蓓

摘要：第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）是面向2020年之后的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，其技術(shù)發(fā)展尚處于探索階段.結(jié)合國內(nèi)外移動(dòng)通信發(fā)展的最新趨勢，本文對5G移動(dòng)通信發(fā)展的基本需求、技術(shù)特點(diǎn)與可能發(fā)展途徑進(jìn)行了展望，并分無線傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分，重點(diǎn)論述了富有發(fā)展前景的7項(xiàng)5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)，包括大規(guī)模天線陣列、基于濾波器組的多載波技術(shù)、全雙工復(fù)用、超密集網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)及內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò).本文還概括性地介紹了國內(nèi)5G移動(dòng)通信的相關(guān)研發(fā)活動(dòng)及其近期發(fā)展目標(biāo).

關(guān)鍵詞：5G關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展趨勢

1概述與總體趨勢

5G是面向2020年以后移動(dòng)通信需求而發(fā)展的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng).根據(jù)移動(dòng)通信的發(fā)展規(guī)律，5G將具有超高的頻譜利用率和能效，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動(dòng)通信提高一個(gè)量級或更高，其無線覆蓋性能、傳輸時(shí)延、系統(tǒng)安全和用戶體驗(yàn)也將得到顯著的提高.5G移動(dòng)通信將與其他無線移動(dòng)通信技術(shù)密切結(jié)合，構(gòu)成新一代無所不在的移動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)，滿足未來10年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍的發(fā)展需求.5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也將進(jìn)一步擴(kuò)展，對海量傳感設(shè)備及機(jī)器與機(jī)器（M2M）通信的支撐能力將成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一.未來5G系統(tǒng)還須具備充分的靈活性，具有網(wǎng)絡(luò)自感知、自調(diào)整等智能化能力，以應(yīng)對未來移動(dòng)信息社會(huì)難以預(yù)計(jì)的快速變化。

5G已經(jīng)成為國內(nèi)外移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).2013年初歐盟在第7框架計(jì)劃啟動(dòng)了面向5G研發(fā)的METIS（mobileandwirelesscommunicationsenablersforthe2020informationsociety）項(xiàng)目，由包括我國華為公司等29個(gè)參加方共同承擔(dān)；韓國和中國分別成立了5G技術(shù)論壇和IMT-2020（5G）推進(jìn)組，我國863計(jì)劃也分別于2013年6月和2014年3月啟動(dòng)了5G重大項(xiàng)目一期和二期研發(fā)課題.目前，世界各國正就5G的發(fā)展愿景、應(yīng)用需求、候選頻段、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及使能技術(shù)進(jìn)行廣泛的研討，力求在2015年世界無線電大會(huì)前后達(dá)成共識，并于2016年后啟動(dòng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展是5G移動(dòng)通信的主要驅(qū)動(dòng)力.移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將是未來各種新興業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)性業(yè)務(wù)平臺(tái)，現(xiàn)有固定互聯(lián)網(wǎng)的各種業(yè)務(wù)將越來越多地通過無線方式提供給用戶，云計(jì)算及后臺(tái)服務(wù)的廣泛應(yīng)用將對5G移動(dòng)通信系統(tǒng)提出更高的傳輸質(zhì)量與系統(tǒng)容量要求.5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要發(fā)展目標(biāo)將是與其他無線移動(dòng)通信技術(shù)密切銜接，為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展提供無所不在的基礎(chǔ)性業(yè)務(wù)能力.按照目前業(yè)界的初步估計(jì)，包括5G在內(nèi)的未來無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)能力的提升將在3個(gè)維度上同時(shí)進(jìn)行：通過引入新的無線傳輸技術(shù)將資源利用率在4G的基礎(chǔ)上提高10倍以上；通過引入新的體系結(jié)構(gòu)（如超密集小區(qū)結(jié)構(gòu)等）和更加深度的智能化能力將整個(gè)系統(tǒng)的吞吐率提高25倍左右；進(jìn)一步挖掘新的頻率資源（如高頻段、毫米波與可見光等），使未來無線移動(dòng)通信的頻率資源擴(kuò)展4倍左右。

2、5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)

2.1無線傳輸技術(shù)

2.1.1大規(guī)模MIMO技術(shù)

在無線通信系統(tǒng)中，多天線技術(shù)可以顯著提高系統(tǒng)頻譜和傳輸可靠性。通過大量的發(fā)射和接收天線，MIMO信道的容量可以大量增長。因此，大幅度提高系統(tǒng)容量的有效途徑之一就是增加天線的數(shù)量。在大規(guī)模的MIMO中，大量的天線配制在基站中，同時(shí)大量的用戶可以被服務(wù)于同一時(shí)頻的資源上。天線的配制方式有兩種：大量集中放置于同一基站形成大規(guī)模集中式MIMO；分布放置于多個(gè)節(jié)點(diǎn)中形成大規(guī)模分布式MIMO。

2.1.2全雙工技術(shù)

全雙工通信技術(shù)是指在同時(shí)、同頻進(jìn)行雙向通信的技術(shù)手段。目前的無線通信系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)中存在著的固有發(fā)射信號對接收信號的自干擾，雙向線路是通過頻率或者時(shí)間進(jìn)行區(qū)分，同時(shí)、同頻進(jìn)行雙向通信技術(shù)還不夠完善，因此還不能實(shí)現(xiàn)同頻且同時(shí)的雙向通信。由此原因所致，現(xiàn)有的通信手段在無線資源上浪費(fèi)巨大（相當(dāng)于浪費(fèi)50%的無線資源）。因此，同頻同時(shí)的全雙工技術(shù)是5G移動(dòng)通信技術(shù)的無線傳輸技術(shù)中一個(gè)重要的研究方向。全雙工通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少無線資源的浪費(fèi)，可實(shí)現(xiàn)更加靈活的頻譜使用。全雙工通信技術(shù)具有重要的研究意義。

2.2基于濾波器組的多載波技術(shù)

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)具有很高的數(shù)據(jù)速率，其可以達(dá)到1GHz的帶寬。目前通信系統(tǒng)所使用的OFDM技術(shù)雖然在對抗多徑衰落、頻譜效率方面有一定的優(yōu)勢，但其對于無線傳輸系統(tǒng)大范圍帶寬中的一些空白頻譜的缺乏應(yīng)用能力。而基于濾波器組的多載波技術(shù)可以有效地解決這一問題。在基于濾波器組的多載波技術(shù)中，發(fā)送端和接收端對于多載波的調(diào)制分別利用合成濾波器組和分析濾波器組。在基于濾波器組的多載波技術(shù)特點(diǎn)在于：各個(gè)子載波不再固定正交和插入前綴，而且各個(gè)子載波之間的干擾也通過控制而大量減少；各個(gè)子載波可以進(jìn)行單獨(dú)的處理，避免了子載波同步的過程。因此，基于濾波器組的多載波技術(shù)是5G移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多載波方案的重要技術(shù)方法。

2.3超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的正式使用不僅會(huì)誕生新型的無線傳輸技術(shù)，而且也會(huì)帶來之前舊的無線傳輸技術(shù)的改善。因此，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)是多種無線接入方式并存的新型通信系統(tǒng)。這些無線接人方式同時(shí)存在、同時(shí)被利用，便組成了多層覆蓋的多無線接人技術(shù)多層覆蓋異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。而對于未來的無線網(wǎng)絡(luò)，在宏站的覆蓋區(qū)域內(nèi)，各種無線傳輸技術(shù)的各類低功率節(jié)點(diǎn)的部署密度較現(xiàn)有站點(diǎn)的部署密度會(huì)有非常明顯的提升（提升數(shù)量大約10倍）、站點(diǎn)之間的距離較現(xiàn)有站點(diǎn)的距離會(huì)明顯的減小（站點(diǎn)距離可以縮短至10米甚至更短）、支持用戶的范圍明顯增加（每平方公里內(nèi)可以擁有25000個(gè)用戶），甚至可以達(dá)到每一個(gè)用戶都可以對應(yīng)擁有一個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，形成超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)束語

綜上所述，在2G、3G以及4G移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)取得突破性進(jìn)步的今天，5G移動(dòng)通信開始逐步走進(jìn)人們的視線，其未來的發(fā)展趨勢和自身的關(guān)鍵技術(shù)也成為人們關(guān)注的重要內(nèi)容。相對于之前的2G、3G以及4G移動(dòng)通信技術(shù)，5G移動(dòng)通信技術(shù)在具有傳輸速率更快、資源利用率更高、無線覆蓋率更廣以及用戶體驗(yàn)性更強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，對于5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)要進(jìn)行充分的探索和討論。