5G無線通信場景需求與技術(shù)演進(jìn)

李海波

（廣西通信規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引 言

目前，我國的4G技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)基本實(shí)現(xiàn)了全面覆蓋，而5G技術(shù)還處在研發(fā)、調(diào)整和試運(yùn)營的狀態(tài)。在眾多的技術(shù)中，TACS與AMPS是最具有代表性的技術(shù)。但是，由于這兩種技術(shù)采用的系統(tǒng)應(yīng)用范圍較小，目前難以做到全面推廣。回顧通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷史，自從人們進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著網(wǎng)絡(luò)用戶的總數(shù)急劇增加，人們對通信的要求也越來越高。2G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足人們對通信的需求，那時(shí)的人們亟需有新的通信技術(shù)來取代2G通信。在發(fā)展的過程中，3G網(wǎng)絡(luò)曾經(jīng)也被廣泛的運(yùn)用過，但是由于3G網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和速度都較低，所以3G網(wǎng)絡(luò)很快就被淘汰了。4G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)在很大的程度上改善了人們的通信體驗(yàn)，不僅極大地提升了網(wǎng)絡(luò)的速度，而且其穩(wěn)定性和安全性也受到了人們的普遍好評。分析現(xiàn)狀可知，我國運(yùn)用最廣泛的還是4G網(wǎng)絡(luò)。而在近期提出的5G網(wǎng)絡(luò)則是在4G的基礎(chǔ)上的一個(gè)巨大飛越。目前，5G已經(jīng)局部投入使用，可以預(yù)測在不久的將來5G網(wǎng)絡(luò)也會逐漸走進(jìn)人們的生活，成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展史上的又一重要里程碑。

1 5G技術(shù)概況與技術(shù)特點(diǎn)

1.1 5G技術(shù)概況

5G的實(shí)際含義指的是第五代移動(dòng)電話系統(tǒng)。它是在目前的4G網(wǎng)絡(luò)上發(fā)展起來的新技術(shù)，是4G的延伸。但是5G技術(shù)到目前為止還沒有任何一家通信公司或者國際的標(biāo)準(zhǔn)制定組織以文件的形式對其有明確的定義和技術(shù)注釋。三星集團(tuán)在2013年就在5G技術(shù)上取得了突破，并且預(yù)定在2020年開始讓5G網(wǎng)絡(luò)走向商業(yè)化。為了迎接5G時(shí)代的來臨，4G網(wǎng)絡(luò)還在進(jìn)一步的擴(kuò)張中，希望通過用戶數(shù)量的增加來加強(qiáng)部署。這么做的目的意在擴(kuò)大服務(wù)容量，使得更多的用戶能夠早日使用5G通信網(wǎng)絡(luò)。但是小型基站的部署和建立工作也會受到一定的阻礙。例如，過于密集的基站之間可能會造成信號干擾，如何削弱這種干擾成為了當(dāng)下最值得研究的課題之一。此外，5G網(wǎng)絡(luò)在推進(jìn)的過程中逐步演變成立無線技術(shù)。目前，投入使用的無線技術(shù)有3G/4G/WiFi，還有很多近年來新研制的其他無線技術(shù)。所以，從某種程度上來說，5G網(wǎng)絡(luò)是將現(xiàn)在所有的無線通信技術(shù)進(jìn)行了一次具有意義的融合，并在融合的基礎(chǔ)上衍生出了其他的新技術(shù)。5G技術(shù)在滿足人與人之間的聯(lián)通的同時(shí)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人與物之間的聯(lián)通。

1.2 5G技術(shù)特點(diǎn)分析

5G與4G比較起來具有較為明顯的特點(diǎn)。首先，5G基站的修建相對于4G基站會趨于小型化。由于小型化的實(shí)現(xiàn)，所以5G基站對環(huán)境的要求不高，能夠適應(yīng)大部分地區(qū)。此外，5G的優(yōu)勢還體現(xiàn)在其強(qiáng)大的功能，可以消除傳統(tǒng)通信中的匯聚節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也更加扁平化，因?yàn)榘凑漳壳暗陌l(fā)展軌跡，5G網(wǎng)絡(luò)的基站將會建立在大型的服務(wù)器群中。例如，人們現(xiàn)在下載一部電影所需要的時(shí)間可能是幾分鐘甚至更長，但如果使用5G網(wǎng)絡(luò)，那么下載一部電影的時(shí)間將會被大幅縮短至可能只要幾秒鐘。除了速度更快之外，5G網(wǎng)絡(luò)還可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)接入，且站點(diǎn)密集、穩(wěn)定性強(qiáng)[1]。

2 5G無線通信場景需求

2.1 5G發(fā)展背景簡述

分析人類的無線通信發(fā)展軌跡可知，往往都是隨著社會的發(fā)展，人們對通信場景的要求產(chǎn)生的變化在促進(jìn)通信技術(shù)的發(fā)展。因此，如果能夠準(zhǔn)確把握人們對通信場景的要求，那么就能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測未來通信技術(shù)的發(fā)展方向。我國現(xiàn)有的幾家大型通信公司都有專門的研究團(tuán)隊(duì)，他們會對場景需求進(jìn)行調(diào)研和設(shè)計(jì)，在我國不同的區(qū)域內(nèi)有針對性的收集人們的需求，并以需求為基礎(chǔ)來進(jìn)行相關(guān)的研究工作。

2.2 5G場景需求

5G通信網(wǎng)絡(luò)的場景需求相對于4G有明顯的不同，具體有如下三個(gè)特征。第一，高轉(zhuǎn)換的通信場景需求。高轉(zhuǎn)換就是要求在各種通信場景之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)的效率是非常高的。對于同一個(gè)人，可能上一分鐘是建筑工地上的建筑工人，對網(wǎng)絡(luò)的使用不那么頻繁，但是下一分鐘可能就會到市中心進(jìn)行采購，需要大量的通信支持，這兩種巨大反差的通信要求可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。第二，高密度的通信場景需求。由于如今信息技術(shù)的發(fā)展，人們獲取信息的總量相對于以前有了明顯的提升，因此通信網(wǎng)絡(luò)要能夠滿足在較小的區(qū)域內(nèi)服務(wù)更多的人群，要能夠支持更多的人接受密集的信息。為了滿足這一需求，5G網(wǎng)絡(luò)的通信基站將會更加高效、更加小型，也更加密集。第三，高速度的通信場景需求。4G網(wǎng)絡(luò)由于其穩(wěn)定性和傳輸速度都難以滿足現(xiàn)代人們快節(jié)奏的生活，所以就要求5G網(wǎng)絡(luò)的速度要比4G網(wǎng)絡(luò)有明顯的提升。在5G網(wǎng)絡(luò)的支撐下，人們很快就可以享受到比4G快50倍的通信速度，以及更加便捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。但是在這樣的高速通信下，通信是否穩(wěn)定、是否安全則是人們的關(guān)注點(diǎn)。因此，研究人員要確保網(wǎng)絡(luò)信號的穩(wěn)定，并具有抗干擾的能力。未來，在5G網(wǎng)絡(luò)下，人們不僅可以讓自己的移動(dòng)設(shè)備接收各種信息，還可以實(shí)時(shí)將信息傳到個(gè)人云端[2]。

3 5G技術(shù)演進(jìn)路線

5G技術(shù)的發(fā)展過程如圖1所示，將會有很多新的功能被加入到網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中。載波聚合技術(shù)和Massive-MIMO技術(shù)是當(dāng)今熱門技術(shù)。前者的設(shè)計(jì)初衷是要實(shí)現(xiàn)將多個(gè)處于離散狀態(tài)下的載波結(jié)合起來，以達(dá)到提高帶寬的目的。正是由于這一技術(shù)的誕生，所以未來通信所能夠利用的有效頻譜會更加寬泛。

圖1 5G技術(shù)演進(jìn)路線

Massive-MIMO的設(shè)計(jì)目的則是為了提高天線信號的輸出能力。5G技術(shù)的相關(guān)研究人員也在試圖通過重組網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架來提高網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。由于云技術(shù)的快速發(fā)展，目前傳統(tǒng)的移動(dòng)接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被完全顛覆。傳統(tǒng)的基站是按照分布式排列的，相鄰的兩個(gè)基站之間的聯(lián)通方式是借助X2口。這樣的接入方式有一個(gè)明顯的弊端，其時(shí)延問題和backhaul容量的大小在很大程度上限制了LTE的傳輸能力。云技術(shù)也有效的提升了backhaul的容量大小，同時(shí)由于云技術(shù)的交流性強(qiáng)，也實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享。

此外，4G網(wǎng)絡(luò)對硬件的依賴程度較高，5G技術(shù)也突破了這一壁壘。4G網(wǎng)絡(luò)中很多功能都需要依賴硬件來實(shí)現(xiàn)，而在5G中將對這些功能進(jìn)行進(jìn)一步的劃分。NTF技術(shù)就是對現(xiàn)有的傳輸模式進(jìn)行再整理和重劃分，讓通信過程中的很多功能的實(shí)現(xiàn)不在需要依賴專門的硬件設(shè)備。降低對硬件的要求能夠進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。這項(xiàng)技術(shù)最早是由歐洲的有關(guān)部門提出的，并且已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。目前，研究人員正在試圖將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到接入網(wǎng)中。

為了進(jìn)一步提高5G網(wǎng)絡(luò)的流暢性和速度，研究人員正在從如下4個(gè)方面著手。（1）加強(qiáng)信號的功率；（2）增加信號的穩(wěn)定性；（3）推薦頻段的通信模型建立；（4）提高上下行信號傳輸?shù)男省?/p>

為了實(shí)現(xiàn)信號功率的增強(qiáng)，Massive-MIMO和CoMP兩項(xiàng)技術(shù)得到應(yīng)用。前者是通過增加天線的數(shù)量來增加信號的功率，后者是利用聯(lián)合信號來增加信號的功率。

為了增加信號的穩(wěn)定性和提升信號的抗干擾能力，研究人員正在試圖研究新型的調(diào)制解調(diào)器。目前，部分調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)中運(yùn)用了NOMA技術(shù)。該技術(shù)是人們十分重視的一項(xiàng)技術(shù)，甚至有人預(yù)測該技術(shù)在下一代調(diào)制解調(diào)器中將會被廣泛的采用。該技術(shù)的主要功能是使信號的抗干擾能力得到大幅增加，實(shí)現(xiàn)方法是將同一資源進(jìn)行分配，不同的用戶共享一個(gè)資源。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，應(yīng)用前景也很廣闊，但是其缺點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)難度大，需要復(fù)雜的接收機(jī)。因此，目前，此項(xiàng)技術(shù)還處于研究之中[3]。

5G的頻段大多在毫米波傳輸上。在這樣的頻段上實(shí)現(xiàn)無線通信，建立信道模型是有一個(gè)需要解決的技術(shù)難題。

5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要綜合現(xiàn)有的多項(xiàng)通信行業(yè)的核心技術(shù)。

4 結(jié) 論

人們的生活和人類文明的發(fā)展越來越依賴于通信技術(shù)。同時(shí)，通信技術(shù)也已經(jīng)滲透到了人們生活中的方方面面。未來的通信是5G時(shí)代。通過現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)論和模擬運(yùn)營，人們已經(jīng)意識到了5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性。但是，現(xiàn)在距離5G時(shí)代的真正來臨還有很長的一段路需要走，還有很多技術(shù)難題需要攻破。可以確定的是，在不遠(yuǎn)的將來，5G技術(shù)將會全面普及到人們的日常生活中。