5G移动通信技术特点及关键技术

郭养雄

【摘要】随着现代社会信息化的快速发展，2020年后物联网、智慧城市、大数据、云计算等信息化技术将快速发展，研究下一代移动通信技术（5G）迫在眉睫。5G通信技术发展应需求而生的。本文从移动通信技术的发展历程展开分析，对下一代5G移动通信关键技术进行介绍。

【关键词】5G；移动通信；关键技术

【Abstract】With the rapid development of information technology in modern society， Internet of things after 2020， the wisdom city， big data and cloud computing， information technology will be rapid development， research of the next generation of mobile communication technology （5 g） is imminent. The development of 5G communication technology should be born of demand. This paper analyzes the development of mobile communication technology and introduces the key technologies of 5G mobile communication.

【Key words】Mobile communication；Key technologies

1. 移动通信技术的发展历程

（1）移动通信技术发展到现在，经历了四个发展阶段，第一代（1G）通信技术自上世纪80年代初期被提出，是通过模拟传输，因此具有速度低、质量差、安全性差、没有加密、业务量小的特点及不足。

（2）第二代（2G）通信技术的发展开始于二十世纪九十年代初期，采用更密集技术结构、引用智能技术等，较1G技术有所进步，但依然不能真正满足移动通信业务的发展需求。

（3）第三代（3G）通信技术的问世，通过应用智能信号等处理技术，该技术中频谱利用效率还是比较低，频谱资源利用率低。

（4）第四代（4G）通信技术在这种背景下提出，其视频图像传输的效果可以媲美高清晰电视；拥有极高的下载速度及灵活的计费方式等，具有前三代无可比拟的先进性。

（5）第五代（5G）通信系统，作为当前最新一代的通信系统，符合了移动通信技术之发展规律，较第四代通信技术相比，其用户体验、传输延时、系统安全和覆盖性能能等各方面都有显著的提高。5G移动通信技术将紧密结合其他通信技术，构成新一代无比先进的移动信息网络。在未来十年的时间内，能够满足人们对移动通信技术的发展需求。

2. 我国5G发展情况

（1）我国5G技术研发试验于2016-2018年进行，分为5G关键技術试验、5G技术方案验证、5G系统验证三个阶段实施。

（2）5G是新一代移动通信技术发展的主要方向，是未来新一代信息基础设施的重要组成部分。与4G相比，不仅将进一步提升用户的网络体验，同时还将满足未来万物互联的应用需求。

（3）从用户体验看，5G具有更高的速率、更宽的带宽，预计5G网速将比4G提高10倍左右，只需要几秒即可下载一部高清电影，能够满足消费者对虚拟现实、超高清视频等更高的网络体验需求。

（4）从行业应用看，5G具有更高的可靠性，更低的时延，能够满足智能制造、自动驾驶等行业应用的特定需求，拓宽融合产业的发展空间，支撑经济社会创新发展。

（5）从发展态势看，5G目前还处于技术标准的研究阶段，今后几年4G还将保持主导地位、实现持续高速发展。但5G有望2020年正式商用。

3. 5G技术特点

（1）频谱利用率高。

在5G移动通信技术中，高频段的频谱资源将被应用的更为广泛，但是在目前科技水平条件下，由于会受到高频段无线电波的穿透能力影响，高频段频谱资源的利用效率还是会受到某种程度的限制，但这不会影响光载无线组网、有线与无线宽带技术的融合等技术的普遍应用。

（2）通信系统性能有很大提高。

传统的通信系统理念，是将信息编译码、点点之间的物理层面传输等技术作为核心目标，而5G移动通信技术的不同之处在于，它将更加广泛的多点、多天线、多用户、多小区的相互协作、相互组网作为重点的研究突破点，以大幅度提高通信系统的性能。

（3）设计理念先进。

在通信业务中，占据主导地位的是室内通信业务的应用，5G移动通信系统的优先设计目标定位在室内无线网络的覆盖性能及其业务支撑能力上，这将改变传统移动通信系统的设计理念。

（4）能耗和运营成本降低。

5G无线网络的“软”配置设计，将是未来该技术的重要研究、探索方向，网络资源可以由运营商根据动态的业务流量变化而实时调整，这样，可以有效降低能耗和网络资源运营成本。

（5）主要指标。

5G通信网络技术的研究，将更为注重用户体验、交互式游戏、3D、虚拟实现、传输延时、网络的平均吞吐速度、效率等，以上指标将成为考量5G网络系统性能的关键指标。

4. 5G关键技术

5G网络关键技术总体框架如下图1所示：

4.1 超密集异构网络。

未来5G网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。随着各种智能终端的普及，面向2020年及以后，移动数据流量将呈现爆炸式增长。在未来5G网络中、减小小区半径、增加低功率节点数量是保证未来5G网络支持1 000倍流量增长的核心技术之一。因此，超密集异构网络成为未来5G网络提高数据流量的关键技术。超密集异构网络组网如下图2所示：endprint

在超密集网络中，密集地部署使得小区边界数量剧增，加之形状的不规则，导致频繁复杂的切换。为满足切换需要具备以下关键技术：

（1）垂直切换预判算法。为了满足移动性需求，势必使用新的垂直切换算法；

（2）网络动态部署技术。用户节点的开启和关闭具有突发性和随机性，使得网络拓扑和干扰大范围动态变化。

4.2 自组织网络。

（1）在未来5G网络中，将面临网络的部署、运营及维护的挑战，这主要是由于网络存在各种无线接入技术，且网络节点覆盖能力各不相同，它们之间的关系错综复杂。因此，自组织网络（self-organizing network SON）的智能化将成为5G网络必不可少的一项关键技术。

（2）SON的思路是在网络中引入自组织能力 （网络智能化 ），包括自配置、自优化、自愈合等。SON包括自配置、自优化和自治愈等功能，在越来越复杂的5G网络中，通过对大量关键性能指标（KPIs）和网络配置参数以及功能实体的智能管理，一方面可以降低网络运营商的网络运行开销，另一方面可以提高网络性能。SON可以看成是对传统的靠人工管理的网络管理系统（Operation Administration and Maintenance， OAM）的自动化升级。使得运营商在进行网络规划、网络配置及网络优化时具有更高的自动化程度。

4.3 内容分发网络。

在未来5G中，面向大规模用户的音频、视频、图像等业务急剧增长，网络流量的爆炸式增长会极大地影响用户访问互联网的服务质量。如何有效地分发大流量的业务内容，降低用户获取信息的时延，成为网络运营商和内容提供商面临的一大难题。仅仅依靠增加带宽并不能解决问题，它还受到传输中路由阻塞和延迟、网站服务器的处理能力等因素的影响，这些问题的出现与用户服务器之间的距离有密切关系。内容分发网络 （content distribution network，CDN）会对未来5G网络的容量与用户访问具有重要的支撑作用。CDN网络架构如下图3所示：

4.4 D2D 通信。

4.4.1 在未来5G网络中，网络容量、频谱效率需要进一步提升，更丰富的通信模式以及更好的终端用户体验也是 5G 的演进方向。设备到设备通信（ device-to-device communication，D2D）具有潜在的提升系统性能、增强用户体验、减轻基站压力、提高频谱利用率的前景。因此，D2D是未来5G网络中的关键技术之一（D2D网络通信模式见图4）。

4.4.2 D2D关键技术有以下几方面：

（1）D2D发现技术，实现邻近D2D终端的检测及识别。

（2）D2D同步技术。多跳D2D网络会对保持系统的同步特性要求高。

（3）无线资源管理。D2D包括广播、组播、单播、多跳传输、网状组网等各种通信模式，因此调度及无线资源管理问题更复杂。

（4）功率控制和干擾协调。相比传统的Peer-to-Peer（P2P）技术，基于蜂窝网络的D2D通信的一个主要优势在于干扰可控。

（5）通信模式切换。包括D2D模式与蜂窝模式的切换、基于蜂窝网络D2D与其他P2P（如WLAN）通信模式的切换、授权频谱D2D通信与LTE-U D2D通信的切换等。

4.5 M2M通信。

M2M（machine to machine，M2M）作为物联网在现阶段最常见的应用形式，在智能电网、安全监测、城市信息化、环境监测等领域实现了商业化应用。到2020年，全球物与物之间的通信将是人与人之间通信的30倍。500亿台M2M设备将活跃在全球移动网络中。蜂窝M2M通信的系统模型见下图5。

4.6 信息中心网络。

（1）随着实时音频、高清视频等服务的日益激增，基于位置通信的传统TCP/IP网络无法满足海量数据流量分发的要求。网络呈现出以信息为中心的发展趋势。

（2）ICN所指的信息包括实时媒体流、网页服务、多媒体通信等，而信息中心网络就是这些片段信息的总集合。ICN的主要概念是信息的分发、查找和传递，以信息为中心的网络通信模型， IP地址将作为一种传输标识。全新的网络协议栈能够实现网络层解析信息名称、路由缓存信息数据、多播传递信息等功能，从而较好地解决计算机网络中存在的扩展性、实时性以及动态性等问题。信息中心网络如图6所示：

（3）尽管ICN可以解决现有IP网络的固有问题，但在扩展性、数据移动性及大范围部署等方面存在不足，其中最为突出的是部署性问题。由于现有IP网络拥有广泛的覆盖范围，且成功地运营了几十年，ICN的提出无疑是对IP网络的挑战。因此，未来5G网络应更加注重ICN与IP网络的结合，使得ICN的发展更加实用。

4.7 SDN/NFV。

4.7.1 随着网络通信技术和计算机技术的发展，互联网+、三网融合、云计算服务等新兴产业对互联网在可扩展性、安全性、可控可管等方面提出了越来越高的要求。SDN（software-defined networking，软件定义网络）/NFV（network function virtualization，网络功能虚拟化）作为一种新型的网络架构与构建技术，其倡导的控制与数据分离、软件化、虚拟化思想，为突破现有网络的困境带来了希望。

4.7.2 SDN架构的核心特点是开放性、灵活性和可编程性。主要分为3层：

（1）转发层：包括大量基础网络设备，该层根据控制层下发的规则处理和转发数据；

（2）控制层：主要负责对数据转发面的资源进行编排、控制网络拓扑、收集全局状态信息等；

（3）应用层：通过开放的北向API对网络资源进行调用。

SDN/NFV架构如下图7所示：endprint

4.8 情境感知技术。

（1）随着海量设备的增长，未来的5G网络不仅承载人与人之间的通信，而且还要承载人与物之间以及物与物之间的通信，既可支撑大量终端，又使个性化、定制化的应用成为常态。情境感知技术是在支撑大量终端数据的基础上，为用户推送个性、智能信息服务。

（2）在情境感知技术的实践应用中，考虑基础设备、网络元件、网络数据库、分析平台等内容，立足于QoS移动性特征，以访问服务属性所映射的5G配置为基本内容，感知各个WSN节点所收集的传感信息，并与计算机设备、PDA、智能手机等设备相联合，主动为用户提供舒适性服务。以5G移动网络技术为代表智能运营业务，移动设备可支持多种无线网络，由开放式传输协议来实现管控程序，利用情境感知技术可为网络利用速率提供多样化通信服务，用于访问服务属性映射至5G配置特征（基本属性涵盖安全等级、QoS、移动性、可靠性等），涵盖NFC、BLUETOOTH等无线通信平台，为“网络适应业务”提供实践辅助（涉及相应业务应用、参照运营商业务策略等内容）。

5. 结束语

（1）整合5G移动通信技术的关键要点，围绕技术要点的基本评判指标，从移动信号的覆盖范围、传输速率、系统资源、频谱利用率等方面考虑，构建5G移动通信网络应用机制，发挥通信网络的基本功效。5G通信技术主要以连续广域覆盖、热点高容量、功耗连接、时延宽带为基本应用场景，立足于用户体验速率、流量密度、能效及其连接数，成为当下解决的主要应用目标。在未来5G移动通信技术的持续发展中，以超密集异构网络、毫米波通信、大规模MIMO技术等内容为典型代表，改建原有的OFDM技术（正交频分复用），为5G系统的关键技术提供更加便捷化的适用条件。

（2）从综合实践方面来看，5G网络融合多种无线通信技术，可为解决频率许可、频谱管理问题提供参考价值，具有较强的安全性能、经济收益。

参考文献

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[文章编号]1619-2737（2017）07-20-678endprint