5G移動通信應用與無線關鍵技術研究

何晶

【摘要】? ? 文章分析了5G移動寬帶和移動物聯等應用場景的技術特點及性能指標，從無線空口、無線傳輸、無線網絡等方面深入研究，總結了在對應場景下，支持其強大性能的無線關鍵技術，最后對下一代及未來移動通信的應用場景與無線新技術發展趨勢提出展望。

【關鍵字】? ? 5G? ? 應用場景? ? 關鍵技術? ? 未來趨勢

引言：

移動通信從第一代發展到第五代實現了從模擬到數字、語音到數據、移動互聯網到移動物聯網的演進。相比上一代移動通信網，5G通過在空口、傳輸、網絡等方面各種關鍵技術的突破，具有更高的速率、更大的容量、更低的時延，同時安全性、可靠性更高，面向移動寬帶和移動物聯等應用，滿足各類細分業務場景的性能指標要求，構建起人、網、物聯通的高速、移動、安全、泛在的新一代信息社會。

一、5G 應用場景與性能指標

1.1增強移動寬帶（eMBB）

應用于移動互聯網的增強移動寬帶（eMBB）將提供更大的系統容量以及更高的無線接入速率，從而滿足未來超高清/3D視頻以及增強現實、云桌面、在線游戲等應用服務。移動寬帶分為廣域連續覆蓋和局部熱點覆蓋兩種場景，廣域連續覆蓋場景是移動通信最基本的應用場景，為用戶提供無縫的高速業務體驗。局部熱點覆蓋場景主要面向局部熱點區域覆蓋，為用戶提供極高的數據傳輸速率，滿足網絡極高的流量密度需求。、

1.2大容量移動物聯（ mMTC）

應用于物聯網的海量機器類通信mMTC將滿足智能電網、智慧農業、智慧城市、共享經濟、運動健身等海量物聯需求，5G的超大網絡容量，具有提供千億設備的連接能力，使人與機器、機器與機器的通信成為可能，促進了大規模物聯網的發展

1.3高性能移動物聯（uRLLC）

應用于物聯網的超可靠低時延通信uRLLC在車聯網、工業精確控制、無人機遠程監測、入侵檢測、急救人員跟蹤等場景發揮巨大作用。5G超高可靠低時延通信，可以實現探測到障礙后的自動駕駛汽車響應速度比人的反應更快，加快了自動駕駛汽車和智慧交通的蓬勃發展。

5G系統各應用場景的性能指標見表1。

二、5G關鍵技術與實現

5G具有極高的速率和較高的頻譜利用率主要依賴5G無線空口、無線傳輸和無線網絡等方面關鍵技術的支持。

2.1無線空口

靈活的參數配置：相比于4G，5G子載波間隔在15kHz的基礎上采用2u擴展（?=0，1，2，3，4），使物理層資源在時域和頻域上具有多種不同大小的粒度，可支持多種信道帶寬、滿足多樣的應用和部署需求，另一方面有利于不同參數集波形的共存、實現靈活調度。

5G上下行均可采用CP-OFDM 波形，支持多層傳輸，從而支持更高的傳輸速率和資源利用率。

新型信道編碼：5G 采用了在性能上接近或“達到”Shannon極限， 且復雜度較低易于實現的新型信道編碼方案， 如LDPC（Low Density Parity Code）碼和極化碼（Polar Code），與4G信道編碼相比，具有更高的呑吐率、更低的處理時延。

NOMA：非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access， NOMA）技術在功率域由單用戶獨占改為多用戶共享， 通過發送端功率復用和接收端串行干擾消除（Successive Interference Cancellation， SIC）， 使得系統吞吐量和頻譜效率都得到了有效提高。

2.2無線傳輸

新型調制編碼：為達到更高的速率，5G采用更高階的調制和編碼策略（modulation and coding scheme，MCS），根據信道信號與噪聲和干擾的比值（SINR），采用鏈路自適應算法確定最佳調制編碼方案，上下行最高支持256QAM調制方式，提高了峰值速率，進一步提升空口頻譜效率。

Massive MIMO：大規模天線技術采用大量收發信通道（TRX）以及大量高增益天線陣列實現信號水平和垂直方向的3D賦形，利用陣列增益和空間復用特性同時傳輸多路不同的數據，在保證不改變發射功率和頻率資源的狀態下，同時具備多天線賦形增益和多用戶復用增益，在降低干擾、增強系統覆蓋能力的同時，提高小區容量及邊緣用戶的傳輸速率，也提升了系統頻譜效率和傳輸的可靠性，并且能耗并不會增加。

毫米波通信：相比于中低頻段，毫米波可用帶寬充足，天線體積小、增益較高，適合Small Cells、室內、固定無線和回傳等場景部署。毫米波可以更好地與大規模 MIMO 結合，借助天線增益和先進的波束賦形技術顯著地提高覆蓋能力，從而在一定程度上補償其高傳輸損耗，并成倍提升小區容量和峰值速率在提高網絡部署密度的同時降低部署難度。

2.3無線網絡

新型網絡架構：5G支持云無線接入網（C-RAN）架構，將網絡功能虛擬化技術應用到無線接入網絡中，實現部分網絡功能虛擬化，并部署于標準的云環境中，提升網絡吞吐量和資源利用率，提高網絡部署靈活性，易于實現CoMP（協同多點傳輸）、多RAT、動態小區配置等更先進的聯合優化方案，滿足移動用戶的質量體驗（QOE）需求。

超密集組網：基于熱點密集組網場景，采用宏基站覆蓋范圍內增加大量小功率基站（Small Cells），構建多層異構網絡以滿足目標區域內的流量需求。通過本地化集中式的無線資源管理和干擾管理，提升用戶體驗。密集網絡可利用空間復用和分集增益提升網絡吞吐量，從而實現頻譜效率的提升。

終端直通（Direct to Direct，D2D）：通過在熱點地區或短距離覆蓋范圍內，在終端間建立直接的通信，一方面可以降低傳輸時延，有效減輕網絡阻塞的概率和基站負荷，另一方面也可以進一步提高頻譜效率，進而提升系統容量和傳輸速率。在得到網絡的授權后，兩個設備間可以直接通信，極大地縮短了端到端的傳輸時延，非常適合汽車安全與智能駕駛、本地工業控制等低時延場景。

2.4 5G關鍵技術與對應場景

綜上所述，5G無線空口、無線傳輸和無線網絡等方面的關鍵技術滿足5G各類業務的性能需求。各項主要關鍵技術及其在對應場景下的主要貢獻分析見表2。

三、后5G展望

未來，B5G及6G將以5G應用場景為基礎，向速率維度、空間維度以及智慧維度等三維擴展。即通信速率由Gbit/s達到Tbit/s量級以上;通信空間由目前的陸地覆蓋拓展至海洋、天空、太空場景下的多域和廣域覆蓋;通信智慧由目前單一設備的智能處理演進至多設備、多網絡之間的協同跨域智能處理， 并且從信息傳輸、處理及應用層面進一步加強和深化通信智慧。

與 5G 相比，6G要在大多數技術領域保持 10～100 倍的性能提升，即 6G 需要達到 1 Tbit/s 的峰值速率，能為特定用例（如工業控制、自動駕駛）提供低于 1 ms 的時延，擁有不高于十億分之一錯誤位的高可靠傳輸能力，且可為海量物聯網業務提供大于每平方公里 107 節點的連接密度。

6G將采用新型波形技術、多址接入技術、新型編碼技術及無蜂窩大規模 MIMO 技術等 先進的無線接入關鍵技術，探索更高頻率太赫茲頻段，實現全頻譜應用;利用衛星、臨近空間飛行器等拓展覆蓋、構造天地融合全球泛在的通信網絡。

四、結束語

5G采用大量先進的通信技術滿足豐富的應用場景及強大的性能指標，將面向人的連接擴充到人與物和物與物的連接。隨著5G、B5G技術的不斷發展，各類應用場景相互交叉滲透，多種關鍵技術綜合運用，使移動通信進入一個全新的發展空間和時代。 6G 將在 5G 基礎上全面支持整個世界的數字化，并結合 AI、大數據等技術的發展，實現智慧的泛在可得，全面賦能萬事萬物。

參? 考? 文? 獻

[1] 王映民，孫韶輝等，5G移動通信系統設計與標準詳解，人民郵電出版社，2020-09

[2] 岳勝，于佳，蘇蕾，程思遠，江巧捷，張學. 5G無線網絡規劃與設計 人民郵電出版社 2020-01

[3] 翟立君，王妮煒，潘沭銘，王宣宣. 6G 無線接入關鍵技術[J]. 無線電通信技術2021（1） 18-149