淺談5G關鍵技術

摘要：在過去20多年中，移動通信經歷從語音業務到高速寬帶數據業務的飛速發展，未來人們對移動網絡的需求進一步增加。需求的爆炸式增長給未來無線移動通信系統在技術方面帶來巨大的挑戰，由此，針對5G系統的研究應運而生。本文主要介紹5G的基本概念以及5G采用的關鍵技術。

關鍵詞：5G關鍵技術;毫米波技術;大規模天線陣列;超密集組網

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）35-0029-02

1 5G概述

在20世紀80年代末90年代初，通信以模擬信號傳輸技術為主的1G產品大哥大出現了，它以打電話為主。那個時代擁有一臺大哥大是多少人夢寐以求的事情，它很好地解決了通信當時的一個痛點：實現隨時隨地和別人交流。接下來發展到2G，從1G到2G的飛躍，除了打電話，人們還可以發短信、溝通一下又方便了很多。而到了3G，大家就比較熟悉了，它終于可以讓人看圖片了。然后緊跟著是4C手機，不但圖片，音樂、視頻都可以輕松下載。接下來就是我們馬上遇到的5G時代，我們已經可以開始感受到它的震撼了。

那么5G是什么概念呢？從1G到4G，移動通信技術差不多每隔10年就會經歷一次革命性的跨越，每一次更新換代都很好地解決了當時的主要需求。

移動通信在過去的20多年中，經歷了從語音業務到高速寬帶數據業務的飛躍發展，使得人們未來對移動網絡的新需求不斷增加，這主要體現在兩個方面：一個是，未來10年移動網絡數據流量將出現爆發式增長，預計是2010年的數百倍、甚至更多，尤其是在智能手機成功占領市場之后，各種新服務不斷涌現，比如娛樂點播服務、電子醫療、網絡化學習、電子銀行等等;另一方面，我們相信在不久的將來，會迎來移動物聯網的產業浪潮。到那時，移動醫療、車聯網、虛擬現實、智能家居等，將推動萬物互聯的新通信時代，數以千億的設備將接入網絡……因此，5G直接要面臨解決的問題主要有3個：容量增強、接人海量終端、超高可靠超低時延。

為了解決以上三個問題，下面我們來談談5G采用的關鍵技術。

2 5G關鍵技術

5G作為新一代的移動通信技術，它是4G的延續，可能會采用6大核心關鍵技術，包括網絡架構和無線接入網兩方面都可能涉及。

2.1毫米波技術

大家知道，在移動通信中頻譜是非常寶貴的資源，隨著通信技術的不斷發展和逐步部署，其中6GHz以下的中低頻頻譜資源已經非常稀缺，而高頻頻段則有著較為豐富的空閑頻譜資源。因此，為滿足不斷增長的用戶數據速率需求和不斷發展的移動通信業務，一方面努力探索更高效的中低頻譜利用效率，另一方面嘗試開拓更高（6GHz以上）頻段的頻譜資源，是許多通信人研究5G一直堅持的方向。

毫米波屬于極高頻段，其頻率范圍為30GHz～300GHz，相應波長在1mm～10mm之間，它的波束很窄，是在空間以直射波的方式進行傳播，本身具有良好的方向性。下面是高頻段毫米波在移動通信中的主要優點：

◇較高的天線增益;

◇可用帶寬足夠量;

◇小型化的天線和設備;

◇繞射能力強，適合部署大規模天線陣列（Massive MI-MO）。

但高頻段毫米波移動通信也存在一些缺點，比如穿透能力差、傳輸距離短、易受天氣氣候和環境影響等等，目前各大研究機構正在積極開展高頻段需求研究以及候選頻段的遴選工作。

2.2大規模天線陣列

多天線技術經歷了從無源到有源、從二維（2D）到三維（3D）、從高階（MIMO）到大規模陣列（Massive MIMO）的發展，如圖1所示。

其中大規模天線技術是5G通信系統中，最具有性能提升潛力的關鍵技術，通過上百根天線的空分復用優勢，成倍提升系統容量，并在pre5G中成功商用。這種大規模天線技術在原理上理解起來比較直觀：就是在物理上增加基站發送天線數目，而在傳輸過程中增加并行傳輸用戶數目。

目前，針對大規模天線信道測試與建模、陣列設計與校準、導頻信道、碼本及反饋機制等問題研究人員正在進行深入研究，未來將支持更多的用戶空分多址（SDMA），在實現綠色節能的同時降低發射功率，提升整體覆蓋能力。

2.3新型調制編碼技術

調制編碼技術是移動通信的核心技術，隨著未來的數據傳輸需求不斷增加，現在的4G LTE網絡的編碼還不能夠得以滿足，這就迫切需要設計更高效的信道編碼，來提高數據傳輸速率，并利用更大的編碼信息塊契合移動寬帶流量配置，同時，現有信道編碼技術（如LTE Turbo）的性能極限還有待繼續提高。LDPC在傳輸效率方面遠遠超于LTE Turbo，而且易平行化的解碼設計，能以低時延和低復雜度，擴展達到更高的傳輸速率。5G所采用的新型調制編碼技術主要包括256QAM高階調制、LDPC和Polar編解碼技術。256QAM高階調制大家比較熟悉，下面對LDPC和Polar編解碼技術分別作個簡單介紹。

LDPC碼即低密度奇偶校驗碼，最早由美國麻省理工學院Robert G.Gallager博士于1963年提出，是一類具有稀疏矩陣的線性分組碼，其翻譯復雜程度較低、結構比較靈活。LDPC曾經在3GPP的第一次嘗試出現在2006年的LTE R8討論中，但那時由于非技術因素卻惜敗于風頭正勁的Turbo碼。不過經過10年的沉淀，2016年得到充分驗證的LDPC又來到了移動通信標準的賽場上，成為5G技術的備選方案。

Polar碼則是編解碼界新星，它是一種全新的線性信道編碼方法，該碼字是迄今發現的唯一一類能夠達到香農極限的編碼方法，且有較低的編譯碼復雜度。2016年11月19日，國際移動通信標準化組織3GPP確定將Polar碼作為5G增強移動寬帶場景的控制信道即短碼塊編碼方案。

2.4網絡切片技術

圖2是網絡切片的簡單示意圖。什么是網絡切片，簡單理解起來就是將一個物理網絡切割成多個虛擬的端到端網絡，如圖2所示，它就是一個網絡切片的簡單示意圖。而在每個虛擬網絡之間，包括核心網、網絡內的設備、接入和傳輸，他們在邏輯上都是獨立的，其間任一虛擬網絡發生故障，都不會影響到其他虛擬網絡正常運行。

5G網絡切片技術能夠為不同的應用場景提供隔離的網絡環境，使不同的應用場景可根據自身要求定制特性功能與功能。5G網絡切片的目標是結合網絡運營、接入網資源、核心網資源、終端設備以及維護管理系統，為不同的業務場景和業務類型，提供隔離、獨立和集成的網絡。

2.5超密集組網（UDN）

未來移動通信業務突飛猛進飛速發展，尤其是熱點地區的流量將是各大運營商亟待解決的重要問題，在5G網絡中這個問題將更為明顯。僅僅靠稀缺的低頻段頻譜資源將無法滿足移動數據流量增長的需求，于是增加單位面積內微基站密度或許是解決熱點地區移動數據量飛速增長的有效方法。

然而，在實際的部署中，超密集組網存在著幾大問題：干擾、站址的獲取和成本。基站建立越多，成本增加自然不在話下。另外隨著網絡的小區人口密度的不斷增加，小區間干擾問題顯得更加嚴重，特別是控制信道的干擾直接影響了整個系統的可靠性;另一方面，由于密度增加，使得用戶在頻繁選擇小區和小區切換的移動性管理變得異常嚴峻。

虛擬層技術的提出就是為解決以上技術難點。所謂虛擬層技術，其基本原理就是由單層實體網絡構建虛擬多層網絡。該技術可以通過單載波和多載波實現。單載波是通過不同的信號或信道構建虛擬多層網絡;多載波則是通過不同的載波構建虛擬多層網絡。

2.6設備到設備直接通信（D2D）

D2D技術是一種通信方式，是指兩個對等的用戶節點之間直接進行通信。隨著無線多媒體業務的不斷增多，更豐富的業務提供方式可以滿足海量用戶在不同環境的業務體驗和需求。

在由D2D通信用戶組成的分散式網路中，每個用戶節點都既能發送也能接收信號，并具有自動路由（轉發消息）的功能。網路的參與者共用它們所擁有的一部分硬體資源，包括網路連接能力，信息處理、存儲等。這些共用資源向網路提供資源和服務，在不需要經過中間實體的情況下能被其他用戶直接訪問。在D2D模式的通信網路中，用戶節點同時扮演客戶端和伺服器兩個角色，用戶之間能夠意識到彼此的存在，能夠自組織地構成一個虛擬或實際的群體。

在D2D通信模式下，兩終端之間直接進行數據傳輸，能夠有效避免蜂窩通信中因用戶數據經過網絡中轉傳輸而產生的鏈路增益;另一方面，D2D與蜂窩之間以及D2D用戶之間的資源可以復用，由此能夠產生資源復用增益;通過資源復用增益和鏈路增益則可提高無線頻譜資源的利用效率，從而提高網絡吞吐量。

當然，D2D通信技術只能作為蜂窩網絡的輔助通信手段，是無線通信的應用場景得到進一步的擴展，而不是獨立組網通信。

3 5G來了

2019年6月6日上午，工信部正式發放5G商用牌照，標志著中國正式進入5G時代。隨著科技的每一次進步，都會帶來產業的機會，就看我們能否抓住技術的特點。那么5G能給我們帶來什么呢？這或許沒人能說得清楚。在3G剛開始的時候，大家能想到微信這么熱嗎？而到了4G，也不曾想微信還能支付.還能傳視頻。所以移動通信業務不是事先想出來的，而是能力具備才做出來的。從1G到4G主要是面向消費者，是消費者應用，5G將是4G的延續擴展消費應用領域，但是它會增加面向產業的應用，適用于智慧城市、產業互聯網等等。總之，沒有做不出來，只有想象不到。有個咨詢公司估計到2035年，5G能給全球經濟產出增加12.3萬億美元，而其中中國會因為5G國內生產總值增加大概1萬億美元、創造大概1000萬人的就業機會！

5G可以說是數字高新技術產業的制高點，它是未來數字經濟增長的一個新引擎！

參考文獻：

[1]陳鵬.5G關鍵技術與系統演進[M].北京：機械工業出版社，2015.

[2]江林華.5G物聯網及NB-IOT技術詳解[M].北京：電子工業出版社，2018.

[3]郎為民.大話物聯網[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[4]易睿得.LTE系統原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2012.

【通聯編輯：唐一東】

收稿日期：2019-08-20

作者簡介：羅偉華（1978-），男，福建漳州人，講師，研究方向：電子、通信。