5G移動通信關鍵技術及發展趨勢分析

張衛民，趙新穎

（鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 451460）

移動通信技術的發展經歷了從第一代模擬蜂窩通信系統到以數字移動通信系統為主的時代，從早期窄帶移動通信到目前以寬帶多媒體移動通信進行演進與發展的趨向。面對信息化潮流，在移動通信領域中國只有積極搶占制高點，才能贏得移動通信事業的發展先機。在信息化和工業深入融合階段，加上人工智能、物聯網發展如火如荼，寬帶多媒體移動通信技術不斷取得重大突破。5G通信作為未來寬帶移動通信技術為具有獨特的優勢[1]，日益受到了世界各國政府及有關部門的關注與認同。我國對下一代通信技術開展了大量的研究工作，獲得了數量可觀的專利并在技術上取得了領先優勢。本文致力于探析5G移動通信中取得的技術優勢，同時明晰未來階段的通信技術演進趨向。

1 基本技術特征

世界上通信技術發達的各國都投入了相當的資源研發5G移動通信技術爭取在5G標準制定中占據先機，并加速布局下一代移動通信網絡，它將向千兆移動網絡和人工智能邁進實現“萬物互聯”。預計到2020年，5G移動通信技術將作為未來技術前景廣闊的公共陸地移動通信系統進入人們的生產和生活中。與目前商用的4G技術相比，第5代移動通信系統具備更大的傳輸帶寬、更快的傳輸速率、更多的用戶連接數、更少的端到端傳輸時延以及更高的頻譜利用率[2]。一旦商用目前海量接入應用場景如車聯網、物聯網、智慧城市、無人機網絡、無人駕駛、遠程醫療將迅速普及，這將極大地促進這些領域的生產效率。5G通信系統應用模型如圖1所示。目前3G和4G技術不能對上述海量接入應用提供有效支撐，加快推進5G技術發展從而促進物聯網的真正發展，物聯網的應用也將推動5G技術的成熟。

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[3]。采用全新理念設計的移動通信系統有助于優化系統并降低通信成本。在未來的通信領域實踐中，技術人員仍需著眼于優化設置關鍵指標，以凸顯5G通信手段具備的適用性與技術性特征。

2 5G移動通信涉及的各項關鍵性技術

5G移動通信最為凸突顯的優勢就在于全面優化用戶現有的通信體驗，其中包含了多層次的移動通信手段與通信方式。運用5G技術有助于創建雙向性的通信網絡，在此前提下實現了同頻率與同時性的新型無線傳輸模式[4]。下面從無線傳輸技術和無線網絡技術的特點。簡要分析5G移動通信的關鍵技術。

2.1 無線傳輸

2.1.1 多載波通信技術

全雙工技術結合多載波通信技術能夠顯著提升頻譜利用率，多載波通信技術是在空中接口傳輸技術中應用最為廣泛的技術，利用該技術可以處理和對抗多徑衰落、增強頻譜效率。只要各個載波相互間帶寬設置合理，利用基于濾波器組的多載波技術可有效防止子載波存在的相互干擾現象，可以發揮信號處理和多載波技術功能。因此，多載波技術具有很好的控制作用。

2.1.2 大規模天線陣列

在空中接口傳輸中采用多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術可提高系統的頻譜效率、傳輸速率、系統的容量等，增強無線傳輸的安全性、可靠性。MIMO技術具有空間預測和分辨率，而且技術更為成熟，能夠利用發射接收天線來增加信道的容量，無需增加基站密度即可實現空間的頻譜效率的增強目標[5]，在同一時間、同一范圍內便于基站利用同一個時頻資源靈活地為大量用戶接入通信系統提供服務。利用MIMO技術在基站中放置大量天線；此外，基站收發信機可以通過集中波束功能減小空間干擾，利于增強波束功率。

2.1.3 新型多址技術和全頻譜技術

在第5代移動通信系統中采用了全雙工通信技術，它是利用同一時頻資源進行雙向通信的一種技術。這種技術可減少浪費無線信道資源，時頻資源部署更加靈活。目前移動通信系統中同一時頻資源進行全雙工的通信技術仍不完善，雙工通信是通過頻分雙工（Frequency Division Duplexing，FDD）或者時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）方式進行區分的，這種全雙工通信方式造成了無線信道資源的浪費，大約相當于浪費了一半的無線信道資源。在現階段同一時頻全雙工技術是未來移動通信系統中空中接口傳輸研究的一個重要方向。

2.2 網絡技術

2.2.1 超密集的異構網絡技術

在移動通信中運用到多種無線傳輸技術，同樣5G網絡中存在各種無線接入技術。在技術演進中，關鍵在于全面優化部署密度形成多層次的異構密集網絡；未來移動通信系統支持核心應用之一的海量接入應用等場景。為了能保證第5代移動通信網絡支持1000倍流量應用場景的用戶體驗，關鍵需要減小網絡節點的小區覆蓋半徑、降低發射功率、增加節點的數量。這需要超密集異構網絡技術解決5G網絡中支持海量接入應用引起的很多問題，比如提高頻率利用率、網絡容量、增強網絡的靈活性等。在5G網絡中運用超密集異構網絡技術和有線回傳技術，從而節約資源、簡化程序，更好地發揮5G通信技術的優勢。

2.2.2 SON技術

在目前的移動通信中，通常運用運營維護人員對系統中的資源進行優化調配。5G移動通信網絡是采用異構網絡方式組網，采用多種技術，無線收發信息機節點密度較大、隨無線傳播環境不同其覆蓋能力而不同，各無線網絡節點之間存在切換與控制復雜的特點；因此，在通信網絡建設和運營中將面臨網絡節點部署、配置、運營和維護方面的挑戰。利用智能化的自組織網絡（Self-Organizing Network，SON）技術為5G網絡進行資源配置[3-5]成為一項必不可少的關鍵技術。技術人員可憑借SON技術來創建全方位的網絡協同模式，如圖2所示。因此未來在技術改進時，應著眼于優化效能和設置無線傳輸參數和協同性能的顯著提升。

2.2.3 新型網絡架構

軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）/網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）是在第5代移動通信系統中采用的一種新型網絡架構與構建技術。軟件定義網絡架構的特點是開放性、靈活性和可編程性。這種新型網絡架構采用的核心思想是軟件化、虛擬化和控制與數據分離。在5G愿景中，明確提出將利用SDN/NFV作為基礎技術支撐未來5G網絡發展[5]。

在軟件定義網絡架構下，可以將網絡控制平面和網絡設備分離開進行管理，在控制器上實現網絡控制功能。無線網絡中引入SDN思想打破現有無線網絡的封閉現象，從而提高網絡服務質量和用戶體驗，實現異構無線網絡互通、優化調配資源，提高無線資源利用率。

2.2.4 云計算

在未來移動通信系統中引入云計算[3]，以按需、易擴展的方式連接到遠端的服務提供商，使得5G移動用戶獲得所需資源。移動云計算是一種全新的IT資源或信息服務的交付與使用模式，它可支持大量的應用和服務，為用戶帶來了很大的方便。

3 未來的移動通信技術演進趨勢

移動通信在空中接口利用無線技術進行信息傳遞，其關鍵、核心通信技術指標包括系統吞吐率、通信頻率資源、無線傳輸時效性以及系統智能化。5G移動通信技術從根本上符合現階段人們對未來移動通信技術的發展預期。

即將商用的5G移動通信系統是將4G和WiFi等網絡融入其中，采用服務質量（Quality of Service，QoS）服務機制根據無線網絡信號質量，使用戶動態連接到信號質量最好的無線站點實現無縫切換，從而為用戶帶來更為豐富的體驗。

未來的移動通信系統[6]將朝向更高的吞吐效率、網絡資源動態調整和更優的用戶傳輸體驗方向發展，并將顯著提高通信容量和降低綜合性的成本消耗。

4 結語

5G移動通信是有助于優化現階段的通信技術手段，正日益受到更多青睞。因此在未來的該領域實踐中，技術人員仍需更多關注5G移動通信呈現出來的新趨向，確保將多種多樣的新型技術手段運用于未來的移動通信中。

[1]尤肖虎.5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術[J].中國科學，2014（44）：556.

[2]夏宇星，張維.5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術分析[J].電子技術與軟件工程，2017（21）：35.

[3]趙國鋒，陳婧，韓遠兵，等.5G移動通信網絡關鍵技術綜述[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2015（4）：441-452.

[4]楊隨虎.5G移動通信相關技術與國內發展趨勢展望[J].自動化與儀器儀表，2016（11）：82-83.

[5]唐忠杰.關于5G移動通信發展趨勢分析及若干關鍵技術探討[J].中國新通信，2016（20）：6-7.

[6]曾劍秋.5G移動通信技術發展與應用趨勢[J].電信工程技術與標準化，2017（2）：1-4.