第五代移动通信关键技术

徐小晶

【摘要】 5G是面向未来的通信发展需求的移动通信系统，第五代移动通信技术兴起的主要驱动力为互联网和物联网，将来人机交互和数据共享是人们日常生活的一部分，在这种交互下，人们的生活将会更加高效舒适。本文首先介绍了第五代移动通信技术的主要要求和挑战。然后介绍了五种5G移动通信技术的关键技术，分别是大规模MIMO技术、同频全双工技术、毫米波频段通信技术、高密度网络、终端直通技术（D2D）。

【关键词】 5G 关键技术 挑战

5G是面向未来的通信发展需求的移动通信系统，作为研究重点，5G通信技术引起了广泛关注。关于第五代移动通信技术标准，迄今为止不存在一个定论。第五代移动通信技术兴起的主要驱动力为互联网和物联网，将来人机交互和数据共享是人们日常生活的一部分，在这种交互下，人们的生活将会更加高效舒适。有报告称，相对于现在的4G技术，第五代移动通信技术的数据流量将会提升一千倍。除此之外，5G相对于传统的3G、4G还能够实现更多的包括手机、平板等终端设备互联。

一、第五代移动通行的目標和挑战

对于第五代移动通信系统，关键要求包括：

第一，数据速率，第五代移动通信技术发展的主要驱动力之一便是对呈现出井喷式增长的移动数据流需求的满足上。通过不同的方式，可以对数据速率进行衡量，这些方式主要包括区域数据容量和峰值传输速率，对于前者，现阶段形成的共识是第五代移动通信的单位区域数据流量是第四代移动通信数据流量的一千倍。后者指的是在相应的网络状态之下，数据传输速率能够达到的最大值。

第二，延时，现阶段第四代移动通信技术的延时为15ms，对于大多数客户需求，该延时能够满足使用需求，但是对于一些即时应用需求，第五代移动通信需要满足其需求，因此，其需要具备更低的延时。

第三，能量和造价，无线通信系统的功耗随着其连接数目的增加而随之增长，无线链路的数量增长一百倍，其功耗也相应地增加一百倍，所以，对于第五代移动通信技术来讲，对其功耗要求应当更高，使得通信网络更加环保，终端设备特别是物联网设备的电池续航能力也因此发幅度提升。

在预期达到的技术方面，第五代移动通信技术相对于第四代移动通信技术更加严格，具体来说，移动数据流量要实现4G的1000倍，用户数据速率要实现4G的10倍至100倍，连接设备为传统4G的10倍至100倍，客户端到通信端的延时缩小至传统4G通信技术的1/5。

二、大规模MIMO技术

在系统中运用大规模的天线阵列也即大规模MIMO技术，信号传输路径在系统使用多天线的情况下会增多，空间进而产生复用，系统频谱效率和可靠性在很大程度上能够提高。多用户波束智能赋型在大规模天线整列运用的条件下得以实现，其定向性进而也得以增强，相对于现有MIMO技术，采用大规模天线阵列的情况下系统空间分辨率也有显著的增强，能够对空间维度资源进行深入广泛地挖掘，在很大程度上提升功率效率。与此同时，对于其他用户的干扰和发射功率由于大规模MIMO技术更为集中的波束，也能够大大降低，功率效率得以提高。但是，对于整个射频系统来说，大规模MIMO技术的运用，在设计过程中，急剧增加的天线数量和射频通道增添了巨大的困难的挑战，在射频系统的设计过程中，这一点体现得尤为明显。

三、同频全双工技术

在第五代移动通信系统中，同频全双工技术被认为极具潜力，能够对频谱资源进行更深层次地挖掘，同频全双工技术无疑能够使无线频谱资源的利用步入全新的发展阶段。无线全双工技术相对于传统的TDD双工技术，实现了同频段同时收发目标，因此，在该技之下，无线频谱利用率是过去利用率的两倍，除此之外，该技术非常有益于无线网络物理层的设计。现阶段，该技术主要面临的问题和障碍在于在同频段同时收发过程中，会有巨大的自干扰产生，所以全双工技术的核心和关键问题就是自干扰问题的解决。现阶段关于自干扰问题的解决已有相关技术，这些技术使得同频双工通信不再停留于理论阶段，这些技术包括通过射频域、数字域、天线域进行自干扰的抵消，在实验室中，现阶段已经能够实现相对于过去吞吐量1.87倍的网络数据吞吐量的提升。除了自干扰问题，MIMO系统支持也是同频双工通信技术面临的另一大障碍和问题，随着系统天线数目的增加，自干扰消除的复杂性也呈现出井喷式增加的趋势，对于多天线系统而言，在系统设计过程中，面临着巨大的困难与挑战。

四、毫米波频段通信技术

第五代移动通信技术对传输速率、网络容纳量等均有很高要求，3GHz的低频段以下的频谱特别拥堵，相对于低频段，高频段频谱资源非常丰富，完全能够满足第五代移动通信技术对于传输速率和网络容纳量方面的需求。第五代移动通信将来的发展趋势是汉末波段移动通信，好么波段通信随着其集成电路、射频通信等技术的发展和成熟，将来必定能够成为移动通信的主体技术，成为第五代移动通信技术的关键技术趋势之一。对于毫米波段的移动通信技术，现阶段已经有多个国家和地区的研究机构开展着相关论证和研究。韩国三星电子公司于2013年5月成功通过六十四个天线组，以28GHz频段进行无线传输，该传输速度最快能够达到1.056Gbps，传输距离最远能够达到两千米。美国英特尔公司于2014年3月，推出下一代蜂窝系统中运用毫米波无线频段的提案。法国电子和信息技术实验室在2014年九月宣布由欧洲多个国家的运营商、供应商组成的团队参与大规模MIMO技术实现的研究团队中，如果研究工作成功开展，能够提供更加理想的空间分辨率，还能够在很大程度上提升频谱利用效率。

五、高密度网络

在第五代移动通信技术中，无线通信网络的发展趋势为不断多元化、宽带化、综合化、智能化。数据流量在智能终端不断普及和广泛运用的背景下，呈现出井喷式发展，因此高密度的网络部署在对数据流量需求越来越大的背景下，成为了第五代通信技术数据流量呈现出一千倍增长态势的有效途径之一。

在单位区域内部通过部署密集网络可以对整个通信网络的覆盖程度进行改善，对系统的通信容量能够在很大程度上进行提升，除此之外，还能够实现业务分流，网络部署据此能够更加灵活，频率复用也得以更加高效化。毫米波在穿透能力方面不太理想，因此对于其大通道宽带系统，在网络部署方案和基站选择方面方面，应该注重密度问题。

六、终端直通技术（D2D）

对于一定距离范围之内的用户，终端直通技术能够避开基站端，进而能够实现直接通信，在很大程度上缓解基站的业务压力。蜂窝通信组网在过去小区覆盖过程中主要通过以数个基站和扇区为核心，但是，在数据容量方面，每一个基站均有有限性，通过终端直通技术，对于未来将要面对的高数据密度需求，能够对基站业务数据实现较大幅度地缓解，与此同时，整个网络的灵活性大大提升。过去数据业务的提供是以基站为中心，但是在第五代移动通信技术背景之下，以基站为中心的数据业务提供模式无法满足庞大规模的用户设备在不尽相同的使用环境中的具体业务需求。终端直通技术无需在基站的辅助之下，在不同通信终端之间便能够实现直接通信，对于网络的连接和接入方式也能够有所拓展。信道质量在短距离直接通信的情况下较为理想，通信速率较高，通信时延和通信功耗较低；通信覆盖在终端广泛分布的情况下，能够加以改善，频谱资源在终端直通技术之下能够实现高效利用，网络链路能够更加灵活和可靠。

对于第五代移动通信技术来讲，其不仅仅是一种单纯的技术革新，也不是几种无线通信接入技术简单相加，而是对多种不同的技术进行整合之后来满足不同层次的客户的通信需求，从这个角度来讲，第五代移动通信技术是一种真正意义上的融合网络。

参 考 文 献

[1]温祖威.第五代移动通信系统中MIMO-OFDM检测关键技术研究[J].电子设计工程，2015，10：145-148.

[2]闫海煜.第五代移动通信的发展趋势和关键技术分析[J].科技展望，2015，22：15.

[3]陈锐，邵珍珍，陈侃，柳晓月，李振.第五代海事卫星通信系统全球网络架构与技术特性研究[J].信息通信，2015，08：8-10.