5G移动通信的关键技术与展望
2016-12-14许中堂
许中堂
【摘要】第5代移动通信系统（5G）是面向2020年之后的新一代移动通信系统，其技术的研发仍处于探索阶段。结合国内外移动通信发展的最新趋势，通过对5G移动通信技术的发展要求、关键技术及发展趋势进行展望。
【关键词】5G；移动通信；关键技术；发展趋势；无线传输技术；无线网络技术
Key Technologies and Prospects of 5G Mobile Communication
Xu Zhong-tang
（Shaanxi Tianyuan Communication Planning and Design Consulting Co.， LtdXianShanxi710000）
【Abstract】The 5th generation mobile communication system （5G） is a new generation mobile communication system after 2020， and its technology research and development is still in the exploratory stage. Combined with the latest development of mobile communications at home and abroad， through the development of 5G mobile communication technology requirements， key technologies and development trends in the future.
【Key words】5G；Mobile communication；Key technology；Development trend；Wireless transmission technology；Wireless network technology
1. 概述
（1）随着科学技术的不断发展，移动通信技术也在突飞猛进第发展。从2G到3G，再到当前的4G，短短几年时间移动通信技术就达到了质的飞跃。各种类型的通信技术有着各自的发展阶段和技术特点。接下来的5G通信技术是发展的必然，有什么样的创新技术，将成为人们对移动通信技术发展和期望的关注点。
（2）与前几代移动通信相比，第五代移动通信技术（5G）的业务提供能力将更加丰富，而且，面对多样化场景的差异化性能需求，5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案。我国IMT-2020（5G）推进组发布的5G概念白皮书从5G愿景和需求出发，分析归纳了5G主要技术场景、关键挑战和适用关键技术，提取了关键能力与核心技术特征并形成5G概念。2015年6月，国际电信联盟（ITU）将5G正式命名为IMT-2020并且把移动宽带、大规模机器通信和高可靠、低时延通信定义为5G主要应用场景，如图1所示。图2展示了不同应用场景下不同的技术要求。5G不再单纯地强调峰值速率，而是综合考虑8个技术指标：峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接数密度、网络能量效率和流量密度。
（3）国际电信联盟在今年6月结束的ITU-RW P5D第22次会议上，确定了第五代移动通信即5G技术的发展时间表，将征集候选技术，在2019年进行技术评估，继而选择关键技术，最后制定标准，预计将在2020年正式商用，未来将成为连接所有行业和生态圈的底层基础设施。
2. 技术特点
2.1根据移动通信的发展规律，5G将具有超高的频谱利用率和能效，在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高一个量级或更高，其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高。5G移动通信将与其他无线移动通信技术密切结合，构成新一代无所不在的移动信息网络，满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求。5G移动通信系统的应用领域也将进一步扩展，对海量传感设备及机器与机器（M2M）通信的支撑能力将成为系统设计的重要指标之一，未来5G系统还须具备充分的灵活性，具有网络自感知、自调整等智能化能力，以应对未来移动信息社会难以预计的快速变化。
2.2移动互联网技术的发展为5G移动通信提供了动力基础。
2.2.1移动互联网将成为未来各种技术的基础性平台。当前的移动通信技术和无线技术将成为5G通信系统的基础，但有着更高的通信传输质量和系统效率的要求。未来5G技术发展方向将在以下三个方面得到提升：
（l）无线传输效率；
（2）通信系统的智能化和系统吞吐率；
（3）无线通信频率资源。
2.2.2在科学信息技术新的发展和变革时期，5G技术的发展具有以下特点：
（1）更加注重用户的体验，提高和改善通信网络的传输速率、吞吐效率及3D等能力，将成为5G性能的重要指标；
（2）完善和健全网络，实现多点、多面、多用户多无线，提高系统性能；
（3）5G技术将实现无处不在的无线信号覆盖，优化系统的设计目标；
（4）充分利用高频段频谱资源，实现5G的普遍广泛应用；
（5）可灵活化的配置5G移动无线通信网络，相关通信运营商可根据实时的流量动态调整网络资源，降低成本和消耗。
3. 关键技术
下面对业界目前十分关注的5G关键技术进行简要介绍：
3.1高频段传输技术。 随着移动终端用户量的不断增加，频谱资源变得越来越稀缺，但是如果通过高频段传输就可以有效地解决这个问题。目前移动通信系统的频段主要在3GHz以内，但是如果采用高频段带宽就会达到273.5GHz，这样不仅通信设备的尺寸要小很多，而且还能够实现短距离内的高速通信，满足用户容量、速率等多方而的需求。
3.2多天线传输技术。 多天线传输技术是目前5G技术中唯一需要重点研究的方而，它能够实现从二维到三维、从无源到有源、从高阶多输入多输出到大规模阵列的发展，能够充分提高频谱利用率，预计至少应该在15倍以上。
3.3同时同频全双工技术。 由于同时同频全双工技术能够在相同的物理信道上对两个方向的信号进行传输，因而也被称为是高效的频谱效率技术。它能够消除通信双工节点自身发射机信号的干扰，既可以发射信号机信号，又可以接受另一节点的同频信号，这样的话就能够有效地提升频谱效率，使移动通信网络更加具有灵活性。
3.4设备间自接通信技术。 在5G网络当中，用户的规模、数据的流量都将会大幅地增加，以传统基站模式为中心的组网方式显然已经不能满足业务发展的需求，而设备间自接通信的技术正好可以实现在没有基站的情况下也能有效运转，并且还开拓了接入方式和网络连接。
3.5密集网络技术。 5G网络数据流量的目标是4G的1000倍，想要实现这个目标需要应用两种技术：
（1）布置大规模的天线在宏基站处用来获得室外空间增益；
（2） 通过布置密集的网络来满足室内外的数据传输需求，由此可见，5G将会采用更加密集的方案，将会部署超过200个以上扇区。
3.6新型网络架构技术。 未来5G网络架构将会呈现扁平化、低成本、低时延、易维护等特点，当前的研究方向主要还集中在C-RAN和云架构，C-RAN属于一种新型无线接入架构，云架构指的是基于云计算大规模协作的无线网络架构。
3.7智能化技术。 5G网络是由大型服务器组成的云计算平台，主要通过具有数据减缓功能的路由器和交换机网络来连接基站，采用宏基站能够实现云计算存储功能、大数据存储功能、处理时效性强的数据、处理多样化的业务、连接方式的多样化等功能，全而实现信息通信技术的智能化。
4. 未来展望
（1）目前，世界各国针对未来5G移动通信网络在技术的可行性研究、标准化以及产品发展方面进行了大量的投入，5G的发展需要在统一的框架下进行全球范围内的协调。同时，在5G通信系统中，大规模多天线和信道建模等不断研究和创新，不仅能够有效改善无线频谱的利用效率，而且加快了无线数据传输速率并支持更多终端的接入。为了应对未来信息社会高速发展的趋势，网络应具备智能化的自感知和自调整能力，C-RAN、 D2D等技术的研究正是出于这一目的，并且高度的灵活性也将成为未来5G网络必不可少的特性之一。同时，绿色节能也将成为5G发展的重要方向，网络的功能不再以能源的大量消耗为代价，实现无线移动通信的可持续发展。
（2）未来10年内，移动通信将发生翻天覆地的变化。目前，4G刚刚部署不久，还将持续很长时间商用。作为面向2020年之后产业发展的新一代移动通信技术，5G在提高大带宽、解决万物互连、实现更可靠和更低时延通信方面具有重要影响。2016年，5G技术进一步发展，3GPP已经在2016年开始了5G标准的预研，后续5G技术方案征集、标准化工作等也会紧锣密鼓地开展。
（3）5G是一个融合的网络，也是一个更加复杂和密集的网络。5G的支持远超3G、 4G网络所满足的场景、数据量及设备接入量，实现这一网络需要技术的不断发展和创新。此外，5G也将更全方位地注重用户体验，将根据不同用户的个性化需求智能部署，实现用户在任何时问、任何地点都能够方便、快捷地接入。同时，5G技术的未来不仅在于数据传输速度的进一步提升，更在于它是人类能力的延伸，周围的一切物体都处于实时联网状态，能够互相感知交互。
5. 结束语
结合5G关键的无线传输技术的发展和应用进行探讨，将5G移动通信技术的关键技术进行明确化，促进5G技术的实质性发展。
参考文献
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