5G發展及關鍵技術探討

李揚

【摘 要】本文從5G的概念及發展情況入手，詳細研究了5G中用到的幾種關鍵技術分析了這幾種技術的特點，最后探討了5G未來的發展趨勢。

【關鍵詞】5G；大規模MIMO；D2D；超密集異構網絡；CCFD

0 引言

5G即第五代移動通信技術已經被冠以最熱門的標簽行走于當下，在過去的30年間，通信改變了我們的生活，為了滿足人類不同的需求，移動通信技術也進行了前所未有的革新。目前我們身處4G時代，雖然4G時代數據率能達到100MbPs，但是隨著日益增長的數據流量以及智能終端的普及，導致4G在容量、頻譜以及數據率等方面已經不能滿足人類的日常需求，于是5G出現了。

1 5G概述

5G的概念最早可以追溯到2000年，4G網絡如火如荼部署的同時，5G的研發就已經成為業界關注和爭奪的焦點。可以說5G是目前4G/IMT-Advanced 標準以外的下一代電信標準。5G作為面向2020年及以后的移動通信需求發展起來的下一代通信系統，它在無線覆蓋性能、傳輸時延、系統安全和用戶體驗上都比4G移動通信系統有了明顯的提高。具體來講就是（1）速度快（傳輸速率相比4G提高 10到100倍，峰值傳輸速率更是高達達10Gbit/s）。（2）頻譜效率提高（相比4G提升5到10倍）。（3）時間延遲低（減少到ms級，比 4G 的低10倍）可以很好的實現系統更高的實時性，進而達到虛擬現實，跟真實環境實時虛擬交互的效果。（4）密度大（設備的連接密度增加10到100倍，流量密度提高1000倍）。（5）使用更高的頻段（5GHZ左右），在移動通信的歷史上，這是首次開啟新的頻帶資源。在此之前，只有衛星和雷達系統上使用毫米波應用，傳統的移動通信工作頻段主要集中在3GHZ以下，5G時代的到來可以有效地緩解資源緊張現象，同時可以實現高速短距離通信，同時滿足5G容量和速率上的要求。（6）更寬的無線信道，（1～2G Hz，甚至更寬），無線更為靈活。

5G是在當今高速發展的物聯網以及移動互聯網的促進下產生的，5G的高數據率及低延遲可以快速地實現人與萬物的互通互聯 ，極大的縮短人與物之間的距離 ，使信息通信不受時空和地域的束縛，讓用戶使用起來更加的方便快捷。5G網絡是寬帶化、泛在化、智能化、融合化、綠色節能的網絡。它將滲透在交通、農業、金融、建筑、電力、辦公、購物、醫療、教育、娛樂、社交等多種行業，完美實現“人與物”、“物與物”之間的高速連接，5G技術作為信息化社會的一個綜合基礎設施將會給我們的生活帶來顛覆式的改變，使整個人類社會全面進入到數字化的時代，從而真正實現萬物互聯。

2 5G關鍵技術解析

2.1 大規模MIMO技術在5G中的應用

在高速、寬帶、信息化發展的今天，數據流量的需求急劇增加 ，但是頻譜資源又是有限的，因此，如何提高頻譜利用率成為我們急需攻堅的課題。目前我們研究的5G移動通信系統就是致力于不斷將頻譜利用率提升，它的目標是比原有系統的頻譜利用率提高10倍。要想收獲高的頻譜利用率就必須有精良的技術支撐而這項技術就是——大規模MIMO技術。

MIMO 技術又被稱為多入多出技術，指的是在系統的發射端 、接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號能夠通過多個發射端和接收端進行多天線的傳輸。以前我們用的都是2D的MIMO，為了有效地提升頻譜效率減少對其他用戶的干擾，5G移動通信技術將其提升到3D技術即所謂3D-MIMO技術。大規模MIMO在極大程度上增加了天線的數量。使得天線數量達到128根，它將多根天線置于發射端和接收端。通過加大了對發射功率的復用和通 信帶寬的復用讓無線通信系統的性能更為完善。大規模MIMO的優勢在于：（1）由于同一頻率資源支持若干用戶，更好的提高了空間分辨率。同時還可以在沒有基站分裂的條件下實現空間資源的深度挖掘。（2）由于大規模MIMO能夠使波束在很短的范圍內集中起來，故能降低波寬較寬而產生的大量干擾。（3）由于使用較多的天線數量故相比于單一天線系統，大規模MIMO技術能夠通過不同的維度（空域、時域、頻域、極化域）提升頻譜利用效率和能量利用效率。

大規模MIMO技術是一種既可提升系統容量、峰值速率，又可減少能量損耗和傳輸時延的5G關鍵技術，但是天線系統的設計和工程也面臨著一些挑戰，可是隨著新技術的不斷發展我們一定能攻克難關，實現完美部署。

2.2 D2D技術在5G中的應用

D2D（Device-to-Device），是一種設備到設備直接通信的技術。用戶數據可不經網絡中轉而直接進行短距離的終端之間的傳輸。隨著社交網絡等應用的發展，用戶近距離數據通信的需求與日俱增。但是由于現有的蜂窩通信系統不夠靈活，故用戶需求的強實時性和高可靠性難以滿足，而D2D技術的出現可以很好的解決上述問題。5G中D2D技術的應用對蜂窩通信系統進行了支撐和補充。在D2D通信模式下，用戶數據直接在終端之間傳輸，避免了蜂窩通信中用戶數據經過網絡中轉傳輸，由此產生鏈路增益。除此之外，D2D用戶之間以及D2D與蜂窩之間的資源也可以（下轉第34頁）（上接第98頁）復用，并由此產生資源復用增益。而鏈路增益和資源復用增益還可提高無線頻譜資源的效率，從而提高網絡的吞吐量。D2D技術的使用還能降低設備功耗，提高系統的可靠性。

2.3 超密集異構網絡在5G中的應用

超密集網絡能改善網絡覆蓋，大幅提升系統容量，還可以對業務進行分流，從而達到靈活組網獲得更高效的頻率復用。5G超密集網絡是一種利用宏站與低功率小型化基站進行覆蓋的融WiFi，4G，LTE，UMTS等多種無線接入技術混合的異構網絡。為了實現通信目的，5G網絡需要將自身的站點布設密度提升至傳統布設密度的10倍以上，部署小區、扇區將達200個以上。支持用戶的范圍達到25000戶/每平方公里，甚至可以達到一個服務節點對應一個用戶。

超密集異構網絡可以使功率效率，頻譜效率得到大幅提升，但是也不可避免的引入了一些問題。如何為用戶分配網絡資源、運營商如何開展網絡管理工作將成為接下來我們要解決的主要問題。

2.4 CCFD技術在5G中的應用

CCFD即同時同頻全雙工技術，是指設備的發射機和接收機占用相同的頻率同時進行工作的技術。與傳統的TDD和FDD模式不同，CCFD使移動通信上行、下行均在相同的時間及相同的頻率上。在無線資源匱乏的今天，CCFD技術克服了頻譜資源受限，使用頻譜資源更加地靈活多樣，頻譜使用率提升了1倍。同時CCFD技術能夠消除通信雙工節點自身發射機信號的干擾，使移動通信網絡更具有靈活性和穩定性。

3 5G未來發展趨勢

在過去30年，通信技術一直處于自身的變革中。總體上來說，通信技術基本上是10年革新一代。目前我們處于第四代移動通信，與此同時5G已經成為移動通信領域的全球性研究熱點，預計2020年以后會是5G的天下。從第一代到第四代移動通信技術，我們研究的重點都是人與人之間如何更好的通信。而第五代移動通信技術，不僅僅使傳輸速度得到大幅度提升，在通信容量及時延方面也得到根本性的變革。在物聯網及移動互聯網技術推動下，5G將人與人之間的通信擴展至物與物之間的通信。5G網絡能承載更多的設備連接、擁有更快的反應、傳輸更大的流量，未來在5G網絡的幫助下我們將開啟“萬物互聯”的智慧生活。endprint