5G 移動通信的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

吳 鯨

（中國鐵塔股份有限公司 北海市分公司，北京 536000）

0 引 言

我國全面建設(shè)了4G 移動通信網(wǎng)絡(luò)，提供了穩(wěn)定的移動通信，滿足了網(wǎng)絡(luò)通信需求。然而，信息化時代發(fā)展下對于數(shù)據(jù)交流的傳輸速率提出較高要求，因此5G 通信技術(shù)獲得社會關(guān)注。在多年發(fā)展中，5G移動通信技術(shù)研發(fā)已完成，開始進入實用階段。商業(yè)發(fā)展過程中，5G 通信技術(shù)暴露出較多問題。為了促進5G 移動通信技術(shù)的發(fā)展，必須要獲得關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。

1 5G 技術(shù)特點

5G 移動通信技術(shù)特點如下。

（1）關(guān)注用戶體驗，擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋。4G 技術(shù)加快了通信傳輸速度，5G 技術(shù)則具備強大的連接功能，因此使用人員可以隨時隨地使用設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)。

（2）5G 技術(shù)可以實現(xiàn)低功耗優(yōu)勢[1]。4G 技術(shù)的傳輸速度快，但是對手機電池要求高。目前，不僅移動終端可以連接網(wǎng)絡(luò)，智能手環(huán)、智能手表也可以連接網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備終端不再只關(guān)注傳輸速率，而是關(guān)注耗電量。低功耗優(yōu)勢，能夠促進智能設(shè)備的開發(fā)與研制。

（3）傳輸速度快。在5G 技術(shù)發(fā)展中，熱點高容量會成為研究方向，從而消除4G 技術(shù)的流量傳輸過程的速率降低問題。在人口密度較大的地區(qū)，使用5G 技術(shù)可以優(yōu)化配置傳輸速率，減少消息滯后、卡頓等問題。

（4）低時延。工業(yè)上對于可靠性、時延性要求高，5G 技術(shù)的低延遲性達到1 ms，可靠性超過99.999%，用戶最小容量達到1 Gb[2]。

（5）端到端性能。智能設(shè)備程序持續(xù)運行，設(shè)備會向搜索信息服務(wù)器發(fā)送請求，保證連接狀態(tài)，但是會影響端到端的性能，減緩信息發(fā)送與下載速度。5G 技術(shù)發(fā)展過程中，也要改善端到端性能。

2 5G 移動通信的關(guān)鍵技術(shù)

與4G技術(shù)相比，5G技術(shù)的接入?yún)^(qū)、服務(wù)區(qū)無限制，傳輸速率不會出現(xiàn)明顯提升趨勢。5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 5G 通信網(wǎng)絡(luò)體系

2.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署

為了應(yīng)對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長需求，5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從傳統(tǒng)移動蜂窩方式，逐漸轉(zhuǎn)向異構(gòu)型、分布式的通信模式，網(wǎng)絡(luò)種類非常多。小區(qū)部署密集度高，單個小區(qū)的覆蓋范圍小。以Macro 為網(wǎng)絡(luò)基石，通過Relay、Femtocell 和Pico-cell 低功率基站，可以消除Macrocell 覆蓋盲區(qū)，分擔(dān)蜂窩負(fù)擔(dān)，提供高可靠和低時延性能，但此種架構(gòu)的干擾影響大。封閉接入方式、用戶自定義部署、設(shè)備發(fā)送功率差異，都會產(chǎn)生干擾影響。層內(nèi)、層間的干擾復(fù)雜，因此要做好干擾管理、干擾協(xié)調(diào)處理。3G 技術(shù)提出小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（Inter Cell Interference Coordination，ICIC）標(biāo)準(zhǔn)，基于頻域?qū)印r域?qū)印⒐β士刂茖樱档兔芗W(wǎng)絡(luò)干擾[3]。5G 網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)多網(wǎng)并存，多小區(qū)協(xié)作。頻譜資源的稀缺度高，缺乏充足頻段進行分配，所以在應(yīng)用干擾消除方法時，應(yīng)當(dāng)全面提升資源效率。

5G 網(wǎng)絡(luò)的擬研究內(nèi)容如下：第一，密集多小區(qū)場景下采用干擾協(xié)調(diào)機制，提出干擾消除方法；第二，密集多小區(qū)場景可以和頻譜高效協(xié)作，形成波束成形方法。利用超密集異構(gòu)部署法，可以擴大網(wǎng)絡(luò)容量，這已成為國內(nèi)外研究重點。

2.2 D2D 通信技術(shù)

本地廣告、社交網(wǎng)絡(luò)的流行發(fā)展，增加了人們對近距離數(shù)據(jù)通信的需求。蜂窩系統(tǒng)存在功耗、容量、覆蓋問題，靈活性不足，很難滿足不同業(yè)務(wù)的可靠性、實時性要求。所以在5G 技術(shù)體系研究中還深入探究了終端直通（Device-to-Device，D2D）通信技術(shù)。D2D 通信屬于5G 關(guān)鍵技術(shù)，能夠有效支撐、補充蜂窩通信，促進無線數(shù)據(jù)流量增長，加強可靠性和實時性。D2D 通信技術(shù)為短距離通信，可以確保數(shù)據(jù)在終端內(nèi)的傳輸。

D2D 通信技術(shù)的特點在于降低干擾、節(jié)約資源、減少傳輸成本以及提升傳輸效率等。3G 技術(shù)擬定D2D 通信白皮書，深入研究干擾協(xié)調(diào)、通信控制、功率控制以及資源分配，但是D2D 通信在5G 技術(shù)中還是存在以下問題。

（1）D2D 通信的無線資源管理。關(guān)于D2D 通信模式的啟動時間、蜂窩通信資源共享、復(fù)用系統(tǒng)資源等問題，都會增加輔助通信系統(tǒng)的資源調(diào)度難度，干擾用戶的體驗度。

（2）可靠性、實時性問題。在5G 網(wǎng)絡(luò)體系中，通過通信可靠性和時延性，對通信性能質(zhì)量進行評價。D2D 通信中，按照用戶需求和服務(wù)類型，滿足設(shè)備通信的可靠性和實時性需求，成為D2D 通信技術(shù)的重要內(nèi)容。

（3）干擾抑制問題。多小區(qū)D2D 通信時，存在干擾抑制問題。資源優(yōu)化配置之前，需要準(zhǔn)確了解全局信道狀態(tài)的信息。當(dāng)前，盡管基站協(xié)作技術(shù)可實現(xiàn)上述功能，但是能耗和精確度低下問題常見，應(yīng)當(dāng)制定科學(xué)的基站協(xié)作技術(shù)方案，既可以支持D2D 多小區(qū)通信分配，又可以降低能源消耗[4]。

2.3 大規(guī)模MIMO 技術(shù)

大規(guī)模大規(guī)模多進多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)，將天線放置在發(fā)送端和接收端，從而形成MIMO 通信鏈路。增加天線裝置之后，能夠擴大無線信道的自由度，擴充數(shù)據(jù)信息的容納量。4G 網(wǎng)絡(luò)為8 端口和多用戶模式，很難滿足頻率效率和能量效率的數(shù)量提升需求。大規(guī)模MIMO 技術(shù)，可以提升能量效率和頻譜效率。5G 技術(shù)具備巨大潛力，可以實現(xiàn)多內(nèi)容擴展。由于方位定向天線的空間限制大，傳播時很難避免角度擴散問題，需要加大天線數(shù)量與設(shè)備數(shù)量的匹配度。利用上行導(dǎo)頻技術(shù)，并采用分雙工信道估計法，可以減少MIMO 內(nèi)的基站天線數(shù)量限制。在5G 技術(shù)支持下，大規(guī)模MIMO 技術(shù)可以生成新架構(gòu)和新部署。雖然人們采用低增益諧振天線陣列代替宏基站，但是其他部署的可行性也比較高，如農(nóng)村地區(qū)水箱表面部署共形天線陣列。大規(guī)模MIMO 技術(shù)的潛力大，但基于技術(shù)實現(xiàn)分析，大規(guī)模MIMO 技術(shù)要通過低功耗、低成本的自治功能實現(xiàn)的話，發(fā)展空間非常大。

2.4 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以優(yōu)化傳輸技術(shù)。當(dāng)5G 技術(shù)接入狀態(tài)良好時，則聯(lián)合多種無線技術(shù)。在具體應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時，多層覆蓋問題較為常見。5G 技術(shù)朝著多元化方向發(fā)展，隨著移動數(shù)據(jù)流量的增長，要縮短終端和節(jié)點的距離，提升網(wǎng)絡(luò)功率，擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展前景廣闊，但節(jié)點距離短，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹?fù)雜度高，因此要改進技術(shù)缺陷，實現(xiàn)移動通信的可持續(xù)發(fā)展。

網(wǎng)絡(luò)運行過程中，合理應(yīng)用自組織技術(shù)，可以發(fā)揮出移動通信性能，提升網(wǎng)絡(luò)運行的智能化水平。網(wǎng)絡(luò)運行過程中既可以自主配置，處理故障問題，還可以自主維護網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如物理規(guī)劃、工作部署等，都要實現(xiàn)無人化值守與操作。系統(tǒng)運行過程中，可以自主完善并處理相關(guān)問題，人工成本低廉。5G通信技術(shù)是一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，同時存在多種管理制度。使用自組織技術(shù)，能夠保證移動通信運行的平滑度，做好通信系統(tǒng)的優(yōu)化工作，促使5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運行狀態(tài)良好。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的軟件定義，多處于無線網(wǎng)絡(luò)運行中，路由器能夠作用到中心控制器中，發(fā)揮出決策功能，高效處理網(wǎng)絡(luò)運行的控制集成和轉(zhuǎn)發(fā)集成問題。網(wǎng)絡(luò)功能處于獨立運行狀態(tài)，可以靈活控制網(wǎng)絡(luò)體系。利用運行軟件，能夠發(fā)揮出無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的控制作用。網(wǎng)絡(luò)運行涉及控制層、應(yīng)用層、基礎(chǔ)設(shè)施層，可以有效控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的發(fā)揮。將軟件控制技術(shù)應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)體系，可以充分利用路由，促進5G 通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

2.5 綠色通信技術(shù)

引入智能化技術(shù)，在保證用戶體驗度的同時，將節(jié)能方案部署在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系中。按照統(tǒng)計結(jié)果可知，信息技術(shù)、通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)的能源消耗約為10%[5]。在無線網(wǎng)絡(luò)體系中，基站能源消耗超過50%，因此5G通信技術(shù)要朝著綠色化方向發(fā)展。綠色通信技術(shù)的發(fā)展，需要減少單個基站的能源消耗。基于網(wǎng)絡(luò)調(diào)度，確保網(wǎng)絡(luò)按照服務(wù)區(qū)的用戶業(yè)務(wù)量變化，動態(tài)調(diào)度資源和控制效率。同時，做好網(wǎng)絡(luò)部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在5G 通信網(wǎng)絡(luò)中，要考慮以下問題：第一，網(wǎng)絡(luò)能量的高效傳輸；第二，基于業(yè)務(wù)中心，動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源。

3 5G 移動通信技術(shù)的應(yīng)用

3.1 新的游戲體驗

虛擬現(xiàn)實成為科技發(fā)展潮流，可以與其他空間的人同處于虛擬環(huán)境游戲內(nèi)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)容瓶頸多，存在內(nèi)容制作和傳輸?shù)葐栴}。在5G技術(shù)支持下，可以將內(nèi)容傳輸?shù)教摂M現(xiàn)實設(shè)備。資料傳輸速度加快，用戶無需擔(dān)心設(shè)備長時間負(fù)載問題。

3.2 自動駕駛汽車

5G 網(wǎng)絡(luò)體系可以快速協(xié)調(diào)自動駕駛汽車。不管是在十字路口，還是與他人交談中，都可以實現(xiàn)中央控制器的回應(yīng)。當(dāng)汽車擁有大量相機、感應(yīng)器時，可以持續(xù)捕捉影片畫面，發(fā)生交通事故后，可以從多角度觀察事故情況。

3.3 視頻會議

在未來發(fā)展中，5G 技術(shù)可以實現(xiàn)溝通視覺化。如果在與家人、朋友視頻通話時，高解析度可以實現(xiàn)與家人“零距離”接觸[6]。但是，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)很難提供即時通話，主要是受網(wǎng)絡(luò)限制，視頻畫面不太連貫。

4 5G 移動通信系統(tǒng)的發(fā)展展望

4.1 萬物互聯(lián)

4G 網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，智能家居行業(yè)發(fā)展的成熟度提升，然而行業(yè)起步晚，并且與萬物互聯(lián)的差距大。但是，5G 技術(shù)的全面化發(fā)展，可以發(fā)揮出低能耗、短時延和大流量優(yōu)勢，滿足萬物互聯(lián)需求。未來，5G 技術(shù)能夠促進互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，將其應(yīng)用到交通行業(yè)、自動化領(lǐng)域，形成萬物互聯(lián)局面。

4.2 生活云端化

5G 時代下，用戶可以隨時播放4K、8K 視頻，云技術(shù)取得突破性進展，改變社會生產(chǎn)、生活方式。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的速率持續(xù)提升，云盤會逐步替代硬盤，用戶不會受時間和空間限制，將大型文件傳輸?shù)皆贫恕?G 通信技術(shù)快速發(fā)展，明確了5G 云化發(fā)展方向，從中心云逐漸過渡到邊緣云，形成移動設(shè)備云。智能設(shè)備普及率提升后，人們開始依賴移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，為了加快網(wǎng)絡(luò)速度，采用無線網(wǎng)絡(luò)信息提供關(guān)聯(lián)性服務(wù)，提升用戶的體驗感。此外，5G 通信技術(shù)可以存儲大量資源，從移動設(shè)備云內(nèi)下載、存儲資源。

4.3 實現(xiàn)智能交互

5G 技術(shù)的數(shù)據(jù)吞吐量、數(shù)據(jù)處理效率高，可以實現(xiàn)人工智能交互、數(shù)據(jù)交換。5G 技術(shù)的時延性低，可以應(yīng)用于無人駕駛、遠程醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實以及智慧城市等領(lǐng)域。未來，智能交互應(yīng)用范圍持續(xù)擴大，涉及電器、工程、門鎖以及汽車監(jiān)控等領(lǐng)域[7]。社會各界對于5G技術(shù)的關(guān)注度高，將技術(shù)應(yīng)用到城市監(jiān)管、社會建設(shè)等領(lǐng)域，實現(xiàn)真正的智能交互，為社會經(jīng)濟發(fā)展提供助推力。

5 結(jié) 語

5G 通信網(wǎng)絡(luò)改變了傳統(tǒng)通信模式，凸顯出信號傳輸、網(wǎng)絡(luò)連接優(yōu)勢，提升智能設(shè)備使用率。5G 技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Υ螅黝I(lǐng)域都開始引入5G 技術(shù)，能夠推動我國通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在今后發(fā)展中，5G 技術(shù)會高度關(guān)注人際交往，為用戶提供優(yōu)質(zhì)體驗，逐步朝著綠色通信方向發(fā)展。