5G移动通信的关键技术解析

张春远



5G移动通信的关键技术解析

张春远

广东海格怡创科技有限公司，广东 广州 510000

5G是指移动电话应用的第五代通信技术，是基于4G网络技术开发的新技术。现阶段，移动通信已由最初的通信速度低、安全性不高，发展成为通信效果好、保密程度高，能够传输清晰图像和高清视频的成熟技术。如今，世界各国均开始进行5G通信技术的研究，为开发新技术做好准备。基于此，就5G移动通信的关键技术进行了探讨。

5G；移动通信；关键技术

1 5G移动通信技术的特征

1.1 频谱利用率高

高频段频谱资源在5G通信技术中已被广泛应用。在目前的科技水平条件下，高频段无线电波利用率比较低，穿透能力差，使用上有不少限制；而未来对频谱的利用率提升，与光载无线组网、有线和无线宽带技术的融合，能够给5G通信技术带来广泛的应用前景。

1.2 系统性能强

5G移动通信技术将更加多点、多天线、多用户、多社区的相互协同、相互组网作为重点，大幅提高了通信系统的性能。室内通信业务是通信的主要业务，5G移动通信系统也以室内无线网络覆盖性能和业务支撑进行扩展，实现移动通信系统的广域覆盖[1]。

1.3 双向信号传递

5G采取双向传递无线电波。打电话时，电话将声音转换成电子信号，传输电子信号到最近的无线电波接收信号塔。小区发射塔通过信号塔网络反射信号，实现呼叫连接。由于无线电波震动频率更快，5G将利用更先进的技术，配置高频率、大容量和密集的信号接收点，使5G网络的下载速度达到10 Gbit/s，比4G速度快100倍。

1.4 功耗成本双低

未来对5G通信系统的研究将会着重在无线网络的“软”配置设计上，运营商可以根据业务流量的变化对网络资源进行及时调整，实现能耗和成本的双低。

2 5G移动通信的关键技术

2.1 大规模MIMO技术

大规模MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）技术是5G最关键的技术之一，更是提升频谱效率最重要的技术之一。大规模MIMO技术也被称为大型天线系统，是在4G基础上由最多8根天线达到数百至数千根天线的使用，该技术的改革可使该基站的多个用户实现同时、即时通信。额外的天线有助于把信号能量的传输接收、整合到一个很小的空间，这使得在调度大量用户终端时获得了巨大的吞吐量和更高的能源效率。大规模MIMO技术最初的设想是应用在时分双工（TDD）操作中，但也可以应用在频分双工（FDD）操作中。大规模MIMO技术的其他优点包括使用的元件廉价且功耗低，可以被用户广泛使用。大规模MIMO技术虽然使许多传统问题得到了解决，但也出现一些新的问题需要关注。例如，如何将大量低成本、低精度的部件有效地结合在一起；终端如何分配新加入的资源；怎样开发额外的天线用来提供服务；如何降低内部功耗达到总能源效率的降低。

目前，大唐、华为、中兴都已完成了有关大规模MIMO技术的测试。其中，大唐的原型机工作在3.5GHz条件下，带宽是100 MHz，天线数是256，用户数是10。基于最终的测试结果，其峰值传输速率达到4 Gb/s，较双流提高了8倍，得到了相当大的提升。这项技术的测试成功使5G技术在2020年实现大范围的使用成为了可能[2]。

2.2 毫米波通信技术

毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。目前，世界上所用的频段资源是非常稀缺的。所用的无线电信系统频谱都在6 GHz以下，而处在毫米波频段上（3～60 GHz）的资源却非常丰富，尚未被充分开发利用，因此5G将在9.9～86 GHz上展开全新RAT技术研究。以LTE技术为基础用于网络广域覆盖的研究，9.9～86 GHz主要用于超密集网络（UDN），所以UDN层和LTE层将会重叠覆盖，并且互操作耦合。随着基站天线规模的增加，要在有限的空间内部署更多天线，也要求通信的波长不能太长。

目前，贝尔实验室（中国）通过在毫米波波段上使用大规模MIMO技术，实现了显著的容量改善及相关效率的提升。通过使用峰值传输速率超过50 Gb/s的原型机，贝尔实验室（中国）在28 GHz毫米波频段上成功实现了高达100 bps/Hz的频谱效率，其传输速率可以让网络下载速度更快，可以实现仅仅几秒钟就达到几百兆的数据传输。毫米波通信技术为未来实现可触式互联网、低时延性的虚拟现实以及3D等未来应用的研究提供了新的发展方向。

2.3 D2D通信技术

D2D通信简单来说就是设备间的通信，其目的在于提高用户体验以及提升用户的使用质量。其最早是用来解决蜂窝网络中数据传输造成的流量大幅度增长的问题。从2013年起，世界着重对D2D通信技术进行了研讨。现在，D2D技术已经成为了4G、5G的关键技术之一。目前，D2D技术也由初期的通过基站协调建立D2D通信，发展成可以由基站协调或者基站完全不参与的情况。国内外很多研究者也开始研究如何利用D2D设备作为中继，使不在基站覆盖范围内的设备也可以直接接入蜂窝网络。相比于蓝牙和Wi-Fi等技术，D2D通信的优势是其工作在蜂窝系统的频段，即使通信双方增加了通信距离后仍能保证用户体验质量。同时D2D通信也可以实现高于其他传输设备的传输速率，以及相对较低的时延性。D2D通信相比耗电较大的Wi-Fi也具有较低的功耗这个优点。目前，D2D通信主要采取广播、多播、单播三种形式，因此其与蜂窝移动网络相比更难调度，也更为复杂。这是目前亟待解决的问题。

相比于蓝牙，D2D通信距离更长、更稳定。而蓝牙不仅需要用户手动设置终端配对密钥，而且工作的频段是非授权频段，通信质量不高，也不稳定。可想而知，D2D通信技术将会在5G时代占据十分重要的角色，为大量终端建立大规模的移动网络，为多种通信业务的实现提供支持。

3 结束语

移动通信不只能实现人与人之间的传递，也可以完成物与物之间的互联，满足人和物通信方面的需求。考虑到未来更多的通信需求，研究者开始进行5G通信技术的开发。本文以5G移动通信技术为视角，阐述了5G的关键技术，以期促进移动通信事业的发展。

[1]杨兴华.5G移动通信技术发展探析[J].科技展望，2016，26（17）：5.

[2]张昌勇.4G到5G——浅析移动通信技术的发展前景[J].现代营销，2016，17（5）：192.

Analysis of Key Technologies of 5G Mobile Communication

Zhang Chunyuan

Guangdong Hai Ge Yi Chuang Technology Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510000

5G refers to the fifth generation communication technology of mobile phone application, and is a new technology based on 4G network technology. At this stage, mobile communication from the initial low communication speed, security is not high, developed into a good communication effect, high degree of confidentiality, able to transmit clear images, high-definition video mature technology. Today, countries around the world are working on 5G communications technology to prepare for the development of new technologies. Based on this, the key technology of 5G mobile communication is discussed.

5G; mobile communication; key technology

TN929.5

A

1009-6434（2017）02-0005-02