5G移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展研究

宋晉陽

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

0 引 言

自21世紀(jì)以來，人們?cè)絹碓街匾暱萍嫉陌l(fā)展和應(yīng)用。主流通信技術(shù)從前幾年的2G、3G技術(shù)，一直發(fā)展到現(xiàn)在的4G技術(shù)，再到幾年后即將投入應(yīng)用的5G技術(shù)，過渡時(shí)間越來越短，充分體現(xiàn)科技發(fā)展的速度在逐步加快。在不久的將來，5G移動(dòng)通信技術(shù)會(huì)全面應(yīng)用于人們的日常生活中，更好地服務(wù)于人類社會(huì)，促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展。相比于2G、3G和4G技術(shù)，5G移動(dòng)通信技術(shù)容量更大，數(shù)據(jù)處理速度更快，可結(jié)合設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)，為人類提供更多的新型服務(wù)。

1 5G移動(dòng)通信技術(shù)的特征

5G移動(dòng)通信技術(shù)是在4G技術(shù)基礎(chǔ)上的平滑演進(jìn)，具有如下特征。

（2）強(qiáng)大的系統(tǒng)性能。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，多點(diǎn)、多天線、多用戶、多社區(qū)的相互協(xié)同以及相互組網(wǎng)成為5G移動(dòng)通信技術(shù)的重點(diǎn)，極大提高了通信系統(tǒng)的性能。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠通過室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)完成性能覆蓋和業(yè)務(wù)支撐，大幅度提高通信主要業(yè)務(wù)——室內(nèi)通信業(yè)務(wù)的性能。

（3）傳遞雙向信號(hào)。5G移動(dòng)通信技術(shù)中的無線電波是雙向傳遞的。實(shí)際工作時(shí)，電話的聲音會(huì)被轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，接著被傳送至最近的信號(hào)塔，再通過信號(hào)塔網(wǎng)絡(luò)反射信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)連接。5G技術(shù)擁有振動(dòng)頻率更快的無線電波，充分利用此優(yōu)勢(shì)，輔之以先進(jìn)技術(shù)，配備更大的寬帶，保證信號(hào)接收點(diǎn)更加密集，促使5G的下載速度達(dá)到4G網(wǎng)絡(luò)速度的100倍。

（4）成本與能耗雙低。5G移動(dòng)通信技術(shù)更注重?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的軟配置，網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)整以業(yè)務(wù)流量變化為依據(jù)，可實(shí)現(xiàn)能耗和成本的雙低。

2 5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)分析

相較于2G、3G和4G，5G移動(dòng)通信更注重技術(shù)創(chuàng)新，在技術(shù)領(lǐng)域取得了極大突破，尤其是無線傳輸和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得了飛躍性進(jìn)步。由于5G技術(shù)極為復(fù)雜，關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用的難度系數(shù)相應(yīng)較高。

2.1 高頻段傳輸技術(shù)

隨著移動(dòng)終端用戶規(guī)模的擴(kuò)大，頻譜資源日益減少，逐漸成為稀缺資源。而應(yīng)用高頻段傳輸技術(shù)，可以更加有效地利用頻譜資源，提高其利用效益。當(dāng)前移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻段低于3 GHz，但在應(yīng)用高頻段寬帶后，可將其提升至273.5 GHz，不僅縮小通訊設(shè)備的尺寸，還可以完成短距離的高速信息傳輸，更容易滿足客戶的多方面需求。

2.2 多天線傳輸技術(shù)

該技術(shù)是5G技術(shù)中的重點(diǎn)研究項(xiàng)目。應(yīng)用多天線傳輸技術(shù)，可使信息傳輸從二維到三維、從無源到有源和從高階輸入輸出到大規(guī)模陣列，頻譜的利用率是現(xiàn)在的10倍以上。

2.3 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)

應(yīng)用此技術(shù)可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙向傳送，即從兩個(gè)不同方向傳輸信號(hào)，屬于高效的頻譜效率技術(shù)。同時(shí)，運(yùn)用同時(shí)同頻全雙工技術(shù)可屏蔽通信雙工節(jié)點(diǎn)自身發(fā)射機(jī)信號(hào)的干擾，既可以發(fā)射信號(hào)機(jī)信號(hào)，也可以同時(shí)接受同頻信號(hào)，有效提高頻譜利用率，增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性和穩(wěn)定性[1]。

2.4 設(shè)備間通信技術(shù)

在5G網(wǎng)絡(luò)中，用戶規(guī)模和數(shù)據(jù)流量皆大大增加，傳統(tǒng)的基站模式組網(wǎng)方式已經(jīng)無法滿足用戶需求。運(yùn)用設(shè)備間通信技術(shù)，可以不依靠基站，直接實(shí)現(xiàn)設(shè)備間通信，開拓了新的網(wǎng)絡(luò)連接方式。

2.5 密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

5G移動(dòng)通信技術(shù)的開發(fā)目標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量規(guī)模要達(dá)到4G網(wǎng)絡(luò)的1 000倍。該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要依靠?jī)煞N措施：第一，布置大規(guī)模的天線，拓寬室外空間，增大網(wǎng)絡(luò)增益；第二，布置密集的網(wǎng)絡(luò)，滿足室內(nèi)外數(shù)據(jù)傳輸需求。因此，5G技術(shù)會(huì)采用更加密集的布置方案，達(dá)到增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的目標(biāo)。

本模型計(jì)算中將彈體假定為球形彈，將上述參數(shù)代入式(41)和式(43)得到，vr為599 m·s-1，vh 為1 503 m·s-1，這些理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果[9]一致。當(dāng)彈體以較高沖擊速度侵徹混凝土靶板時(shí)，由于燒蝕和磨損效應(yīng)會(huì)造成一些質(zhì)量損失，這將在以后的工作中予以考慮。

2.6 新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架技術(shù)

不久的將來，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)會(huì)實(shí)現(xiàn)更加扁平化、低成本、高效率、低延時(shí)與易維護(hù)的目標(biāo)，但當(dāng)前研究重點(diǎn)還是云架構(gòu)和C-RAN。

2.7 多入多出技術(shù)

此技術(shù)全稱為Multiple-Input Multiple-Output，簡(jiǎn)稱MIMO，應(yīng)用歷史久遠(yuǎn)。其應(yīng)用原理是通過采取多天線方式，完成對(duì)信號(hào)傳輸?shù)某杀究刂疲€可以提高傳輸速度和質(zhì)量[2]。同時(shí)，大規(guī)模多入多出技術(shù)的應(yīng)用，可保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和信號(hào)傳輸?shù)母咚傩浴Ｏ嚓P(guān)理論表明，只要有足夠的天線，便可有效提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院皖l譜利用率。

2.8 濾波器組多載波技術(shù)

此技術(shù)又稱FBMC技術(shù)，可有效解決頻譜效率低下和多徑衰落問題。同時(shí)，它可保證系統(tǒng)強(qiáng)大的抗干擾能力，易滿足用戶的高速率通信需求，也可保證信號(hào)接收效果良好。

3 5G移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

到2020年，5G可以在全世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)商用。在中國(guó)，5G將會(huì)經(jīng)歷三個(gè)階段：技術(shù)研發(fā)、技術(shù)方案驗(yàn)證和系統(tǒng)驗(yàn)證。其中，前兩個(gè)階段都已完成，第三階段正在實(shí)行，預(yù)計(jì)到2018年底完成。當(dāng)5G實(shí)現(xiàn)商用，無論是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、5G業(yè)務(wù)，還是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，都會(huì)對(duì)用戶的隱私安全發(fā)起新的挑戰(zhàn)。因此，應(yīng)加強(qiáng)5G的安全機(jī)制設(shè)定，使其既可以滿足基本通信，又能為不同的用戶需求提供不同的安全服務(wù)，適應(yīng)多重網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和多種接入方式。此外，未來的5G會(huì)呈現(xiàn)多樣化場(chǎng)景，以多種多樣的接入方式和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)，為用戶提供全方位安全保障。

3.1 萬物互聯(lián)

4G的應(yīng)用，便已經(jīng)使萬物互聯(lián)有了雛形，如智能家居的普及。然而，4G網(wǎng)絡(luò)不足以支撐起真正的萬物互聯(lián)，差距依然巨大。5G則不同，憑借比4G強(qiáng)大百倍的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完全可以支撐萬物互聯(lián)[3]。未來幾年內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必然收到5G的強(qiáng)烈影響。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求主要體現(xiàn)在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)連接和關(guān)鍵任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)連接兩個(gè)方面。其中，前者的規(guī)模較大，但是終端不會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)用流量，因此成本相對(duì)較低；后者則對(duì)于網(wǎng)絡(luò)要求較高，需要網(wǎng)絡(luò)同時(shí)具備高可靠、高可用、高帶寬和低延時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。由于5G通信技術(shù)可提供更高速、更短延時(shí)、更大規(guī)模和更低功耗的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，完全可以滿足物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求。

3.2 生活云端化

在5G時(shí)代到來后，4K視頻乃至8K視頻都可以實(shí)現(xiàn)流暢播放，生活和工作中也會(huì)更充分地應(yīng)用云技術(shù)，做到處處有“云”。同時(shí)，超高的網(wǎng)絡(luò)速率要求會(huì)促使云盤取代硬盤，超大內(nèi)存的文件也可以隨時(shí)隨地的上傳到云端。5G自動(dòng)內(nèi)容云端化的趨勢(shì)有由中心云到邊緣云和由邊緣云到移動(dòng)設(shè)備云兩種。當(dāng)前，由于智能終端和智能應(yīng)用的普及，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求在逐步提高，因此需要實(shí)時(shí)開放無線網(wǎng)絡(luò)信息，保證用戶體驗(yàn)到更加個(gè)性化的網(wǎng)絡(luò)。

3.3 智能交互

任何領(lǐng)域的智能交互應(yīng)用，都需要依靠5G技術(shù)的龐大數(shù)據(jù)吞吐量和吞吐效率。由于5G網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間只有1 ms，虛擬現(xiàn)實(shí)、無人駕駛汽車和遠(yuǎn)程醫(yī)療等對(duì)于時(shí)間精準(zhǔn)度要求較高的技術(shù)也可以成為現(xiàn)實(shí)。而這些技術(shù)必將成為改變?nèi)祟惿畹耐苿?dòng)力量。

4 結(jié) 論

分析5G移動(dòng)通信技術(shù)的主要特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，相信隨著通信技術(shù)的逐步發(fā)展，人類社會(huì)會(huì)迎來飛躍性的進(jìn)步，使各種不可能變成現(xiàn)實(shí)，生產(chǎn)生活得到不斷改善。