5G发展及关键技术探讨

李扬

【摘 要】本文从5G的概念及发展情况入手，详细研究了5G中用到的几种关键技术分析了这几种技术的特点，最后探讨了5G未来的发展趋势。

【关键词】5G；大规模MIMO；D2D；超密集异构网络；CCFD

0 引言

5G即第五代移动通信技术已经被冠以最热门的标签行走于当下，在过去的30年间，通信改变了我们的生活，为了满足人类不同的需求，移动通信技术也进行了前所未有的革新。目前我们身处4G时代，虽然4G时代数据率能达到100MbPs，但是随着日益增长的数据流量以及智能终端的普及，导致4G在容量、频谱以及数据率等方面已经不能满足人类的日常需求，于是5G出现了。

1 5G概述

5G的概念最早可以追溯到2000年，4G网络如火如荼部署的同时，5G的研发就已经成为业界关注和争夺的焦点。可以说5G是目前4G/IMT-Advanced 标准以外的下一代电信标准。5G作为面向2020年及以后的移动通信需求发展起来的下一代通信系统，它在无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验上都比4G移动通信系统有了明显的提高。具体来讲就是（1）速度快（传输速率相比4G提高 10到100倍，峰值传输速率更是高达达10Gbit/s）。（2）频谱效率提高（相比4G提升5到10倍）。（3）时间延迟低（减少到ms级，比 4G 的低10倍）可以很好的实现系统更高的实时性，进而达到虚拟现实，跟真实环境实时虚拟交互的效果。（4）密度大（设备的连接密度增加10到100倍，流量密度提高1000倍）。（5）使用更高的频段（5GHZ左右），在移动通信的历史上，这是首次开启新的频带资源。在此之前，只有卫星和雷达系统上使用毫米波应用，传统的移动通信工作频段主要集中在3GHZ以下，5G时代的到来可以有效地缓解资源紧张现象，同时可以实现高速短距离通信，同时满足5G容量和速率上的要求。（6）更宽的无线信道，（1～2G Hz，甚至更宽），无线更为灵活。

5G是在当今高速发展的物联网以及移动互联网的促进下产生的，5G的高数据率及低延迟可以快速地实现人与万物的互通互联 ，极大的缩短人与物之间的距离 ，使信息通信不受时空和地域的束缚，让用户使用起来更加的方便快捷。5G网络是宽带化、泛在化、智能化、融合化、绿色节能的网络。它将渗透在交通、农业、金融、建筑、电力、办公、购物、医疗、教育、娱乐、社交等多种行业，完美实现“人与物”、“物与物”之间的高速连接，5G技术作为信息化社会的一个综合基础设施将会给我们的生活带来颠覆式的改变，使整个人类社会全面进入到数字化的时代，从而真正实现万物互联。

2 5G关键技术解析

2.1 大规模MIMO技术在5G中的应用

在高速、宽带、信息化发展的今天，数据流量的需求急剧增加 ，但是频谱资源又是有限的，因此，如何提高频谱利用率成为我们急需攻坚的课题。目前我们研究的5G移动通信系统就是致力于不断将频谱利用率提升，它的目标是比原有系统的频谱利用率提高10倍。要想收获高的频谱利用率就必须有精良的技术支撑而这项技术就是——大规模MIMO技术。

MIMO 技术又被称为多入多出技术，指的是在系统的发射端 、接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号能够通过多个发射端和接收端进行多天线的传输。以前我们用的都是2D的MIMO，为了有效地提升频谱效率减少对其他用户的干扰，5G移动通信技术将其提升到3D技术即所谓3D-MIMO技术。大规模MIMO在极大程度上增加了天线的数量。使得天线数量达到128根，它将多根天线置于发射端和接收端。通过加大了对发射功率的复用和通 信带宽的复用让无线通信系统的性能更为完善。大规模MIMO的优势在于：（1）由于同一频率资源支持若干用户，更好的提高了空间分辨率。同时还可以在没有基站分裂的条件下实现空间资源的深度挖掘。（2）由于大规模MIMO能够使波束在很短的范围内集中起来，故能降低波宽较宽而产生的大量干扰。（3）由于使用较多的天线数量故相比于单一天线系统，大规模MIMO技术能够通过不同的维度（空域、时域、频域、极化域）提升频谱利用效率和能量利用效率。

大规模MIMO技术是一种既可提升系统容量、峰值速率，又可减少能量损耗和传输时延的5G关键技术，但是天线系统的设计和工程也面临着一些挑战，可是随着新技术的不断发展我们一定能攻克难关，实现完美部署。

2.2 D2D技术在5G中的应用

D2D（Device-to-Device），是一种设备到设备直接通信的技术。用户数据可不经网络中转而直接进行短距离的终端之间的传输。随着社交网络等应用的发展，用户近距离数据通信的需求与日俱增。但是由于现有的蜂窝通信系统不够灵活，故用户需求的强实时性和高可靠性难以满足，而D2D技术的出现可以很好的解决上述问题。5G中D2D技术的应用对蜂窝通信系统进行了支撑和补充。在D2D通信模式下，用户数据直接在终端之间传输，避免了蜂窝通信中用户数据经过网络中转传输，由此产生链路增益。除此之外，D2D用户之间以及D2D与蜂窝之间的资源也可以（下转第34页）（上接第98页）复用，并由此产生资源复用增益。而链路增益和资源复用增益还可提高无线频谱资源的效率，从而提高网络的吞吐量。D2D技术的使用还能降低设备功耗，提高系统的可靠性。

2.3 超密集異构网络在5G中的应用

超密集网络能改善网络覆盖，大幅提升系统容量，还可以对业务进行分流，从而达到灵活组网获得更高效的频率复用。5G超密集网络是一种利用宏站与低功率小型化基站进行覆盖的融WiFi，4G，LTE，UMTS等多种无线接入技术混合的异构网络。为了实现通信目的，5G网络需要将自身的站点布设密度提升至传统布设密度的10倍以上，部署小区、扇区将达200个以上。支持用户的范围达到25000户/每平方公里，甚至可以达到一个服务节点对应一个用户。

超密集异构网络可以使功率效率，频谱效率得到大幅提升，但是也不可避免的引入了一些问题。如何为用户分配网络资源、运营商如何开展网络管理工作将成为接下来我们要解决的主要问题。

2.4 CCFD技术在5G中的应用

CCFD即同时同频全双工技术，是指设备的发射机和接收机占用相同的频率同时进行工作的技术。与传统的TDD和FDD模式不同，CCFD使移动通信上行、下行均在相同的时间及相同的频率上。在无线资源匮乏的今天，CCFD技术克服了频谱资源受限，使用频谱资源更加地灵活多样，频谱使用率提升了1倍。同时CCFD技术能够消除通信双工节点自身发射机信号的干扰，使移动通信网络更具有灵活性和稳定性。

3 5G未来发展趋势

在过去30年，通信技术一直处于自身的变革中。总体上来说，通信技术基本上是10年革新一代。目前我们处于第四代移动通信，与此同时5G已经成为移动通信领域的全球性研究热点，预计2020年以后会是5G的天下。从第一代到第四代移动通信技术，我们研究的重点都是人与人之间如何更好的通信。而第五代移动通信技术，不仅仅使传输速度得到大幅度提升，在通信容量及时延方面也得到根本性的变革。在物联网及移动互联网技术推动下，5G将人与人之间的通信扩展至物与物之间的通信。5G网络能承载更多的设备连接、拥有更快的反应、传输更大的流量，未来在5G网络的帮助下我们将开启“万物互联”的智慧生活。endprint