5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)分析

彭正方

（湖南省郵電規(guī)劃設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

5G是第五代移動通信技術(shù)的簡稱，具有數(shù)據(jù)速率高、延遲低以及容量大等特點，是現(xiàn)階段通信行業(yè)發(fā)展的重點內(nèi)容。目前5G技術(shù)產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)取得了初步成果，是我國新一代信息基礎(chǔ)建設的重要組成部分[1]。

1 5G移動通信概述

5G是近年來移動通信領(lǐng)域的研究熱點，它將24 GHz以上頻段的毫米波運用于移動寬帶通信，實現(xiàn)了更大容量且更多頻譜的新型部署場景[2]。

自2013年起，歐盟開始斥巨資研發(fā)5G相關(guān)技術(shù)。緊隨其后，韓國SUMSUNG公司宣布已成功攻克5G關(guān)鍵技術(shù)，利用64天線單元自適應陣列，在28 GHz頻段實現(xiàn)1Gb/s數(shù)據(jù)傳輸，通信速率比4G LTE快了近100倍。此后，各國均在持續(xù)跟進5G研究，并逐步推進公眾測試與商用[3]。

國內(nèi)5G研究方面，2009年華為就開始了相關(guān)研究。2016年工信部明確提出5G將是未來新一代通信技術(shù)的主要發(fā)展方向。2018年華為與沃達豐公司合作完成第一個5G通話測試，同年發(fā)布了首款5G商用芯片巴龍5G01及終端設備。據(jù)工業(yè)和信息化部新發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國已建成全球最大5G網(wǎng)絡，截至2020年底，開通5G基站數(shù)量超過71.8萬個。此外，5G終端市場也在快速跟進，2020年1～11月國內(nèi)5G手機累計出貨已經(jīng)達到了1.44億部，上市5G機型199款。

2 5G移動通信發(fā)展驅(qū)動力與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 5G移動通信發(fā)展驅(qū)動力

5G移動通信發(fā)展的驅(qū)動力主要有兩種，一是4G技術(shù)的全面商用；二是移動數(shù)據(jù)需求呈爆炸性增長態(tài)勢，亟需開始5G技術(shù)研究。基于移動通信網(wǎng)絡的發(fā)展和移動數(shù)據(jù)流量的暴漲，網(wǎng)絡能耗、比特成本以及頻譜需求將進一步增加，而可用頻譜呈大跨度和碎片化的特點，難以實現(xiàn)頻譜高效利用。為解決上述挑戰(zhàn)，亟需發(fā)展新一代5G移動通信技術(shù)[4]。

2.2 5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)

目前5G技術(shù)的發(fā)展路線主要分為演進型和革命型。演進型是在LTE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上考慮后向兼容，引入增強型技術(shù)，增大系統(tǒng)容量，主要技術(shù)包括小型化基站相關(guān)技術(shù)。革命型是指5G網(wǎng)絡架構(gòu)全面創(chuàng)新，采用新型網(wǎng)絡拓撲和接入網(wǎng)架構(gòu)，核心網(wǎng)引入軟件定義網(wǎng)絡、網(wǎng)絡功能虛擬化以及移動內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡等[5,6]。5G通信概念模型如圖1所示。

2.2.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡部署

從2G到3G、4G，蜂窩小區(qū)的半徑呈持續(xù)縮小態(tài)勢，小區(qū)密度增加，由此實現(xiàn)網(wǎng)絡容量的快速增大。基于5G技術(shù)構(gòu)建超密集蜂窩，可帶來數(shù)十倍的網(wǎng)絡容量增益[7]。

5G網(wǎng)絡架構(gòu)中移動蜂窩式轉(zhuǎn)向分布式與異構(gòu)式，如圖2所示。密集異構(gòu)網(wǎng)絡支持用戶自定義部署，采用封閉式接入方式，使傳輸功率出現(xiàn)差異化，在通信傳輸過程中易受到干擾，對此需合理選擇干擾管理和抑制措施。針對干擾問題，目前國內(nèi)主要采取兩小區(qū)協(xié)作處理方法。基于5G網(wǎng)絡的發(fā)展，未來會出現(xiàn)“多網(wǎng)并存”的情況，層間與層內(nèi)干擾更為復雜，通信干擾的消除直接關(guān)系到通信資源的利用率。

圖2 超密集LET-B背景下異構(gòu)網(wǎng)絡部署

2.2.2 D2D通信技術(shù)

D2D通信技術(shù)是指兩個對等的用戶節(jié)點直接進行通信的一種通信方式。由D2D通信用戶組成的分布式網(wǎng)絡中，每個用戶節(jié)點都能發(fā)送或接收信號。網(wǎng)絡的參與者共享擁有的部分硬件資源，這些共享資源可以被其他用戶直接訪問，不需要經(jīng)過中間實體。蜂窩系統(tǒng)覆蓋范圍小、信息容量低、功耗大且組網(wǎng)靈活性較差。通過運用D2D通信技術(shù)，可對現(xiàn)有蜂窩通信進行補充，增大無線數(shù)據(jù)流量，提高通信穩(wěn)定性。在完成場景標準化布置后，還需解決蜂窩通信與D2D通信的資源共享問題等。

2.2.3 MIMO通信系統(tǒng)

MIMO主要利用發(fā)送端和接收端之間的多天線形成通信鏈路，其無線信道自由度大，可容納更多的通信數(shù)據(jù)。在帶寬和總發(fā)送功率相同的情況下，MIMO可增大系統(tǒng)吞吐量，延長通信距離。基于5G技術(shù)的發(fā)展，MIMO技術(shù)得到延伸，在基站側(cè)設置大規(guī)模天線陣列，基于空分多址原理向用戶提供信息通道，從而保障用戶通信的安全性與穩(wěn)定性。

2.2.4 綠色通信技術(shù)

5G通信中智能化技術(shù)的應用可在保證用戶體驗的同時，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡的節(jié)能部署。根據(jù)工信部相關(guān)信息，預計到2025年，累計新建5G宏基站數(shù)量約為435萬座，年耗電量為1 134億千瓦時。基于此，5G通信技術(shù)未來的發(fā)展需以節(jié)能為重點，減小基站能耗，動態(tài)調(diào)整資源與傳輸功率，調(diào)節(jié)服務區(qū)內(nèi)用戶量，同時優(yōu)化網(wǎng)絡部署與拓撲結(jié)構(gòu)。

3 5G移動通信未來發(fā)展趨勢

近年來，我國在5G技術(shù)方面的研究不斷深入，且取得了不少成果，未來幾年將實現(xiàn)5G全面覆蓋。為全面推廣應用5G技術(shù)，還需進一步加強基礎(chǔ)設施建設，解決實際問題，獲得最佳使用效果[8]。5G移動通信未來發(fā)展趨勢主要包括3個方面。

一是覆蓋范圍擴大。明確5G移動通信基礎(chǔ)設施嚴重缺失的地區(qū)，并采取相應的密閉措施為5G技術(shù)推廣提供可靠支撐，保證5G移動通信傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。2021年預計再建130萬個5G基站，基站總數(shù)超200萬，覆蓋部分重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

二是落實5G商用，包括5G+超高清4K/8K視頻、車聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、VR/AR以及智慧城市等[9,10]。其中，5G+超高清4K/8K視頻是目前最明確的發(fā)展方向，預計2022年高清視頻市場規(guī)模超2.5萬億元。此外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將成為5G最大行業(yè)應用場景，5G+攝像頭、AGV、移動巡檢、工控機以及無人機等有望成為新商機。

三是各種5G終端產(chǎn)品的研發(fā)。2021年全球5G手機出貨量預計超過5億部，以5G智能手機為運算主力的便攜式VR眼鏡等產(chǎn)品將掀起終端跨領(lǐng)域整合熱潮。

4 結(jié) 論

綜上所述，基于4G LTE技術(shù)在全球商用的成功展開以及移動數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長，5G技術(shù)研發(fā)與使用已處于全面推進階段。5G實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)的平滑演進，既繼承了4G中成熟的關(guān)鍵技術(shù)，又采用大量改進的新技術(shù)，具有大流量密度、海量連接數(shù)、低時延以及低能耗等優(yōu)勢，可滿足增強型移動寬帶、大規(guī)模機器間通信以及低時延通信等應用場景的需求。