5G移动通信发展趋势与关键技术研究

付仅华



5G移动通信发展趋势与关键技术研究

付仅华

广东南方电信规划咨询设计院有限公司惠州分公司，广东 惠州 516003

近年来，随着技术的发展和需求的增加，较4G技术更高端、更便捷的5G移动通信技术的研发，得到了人们的广泛关注。因此，对5G移动通信的发展趋势和关键技术进行了简要的研究讨论。

5G移动通信；关键技术；发展趋势

引言

4G技术在人们的生活和工作中已经得到了广泛的应用，然而随着软件和智能通信工具的不断开发和更新，对移动通信技术的需求也随之增长，5G技术即将再次改变人们的生活。5G技术的产生和实践会对无线网络、用户终端、应用场景以及业务进行进一步的创新和融合。

1 5G移动通信的发展趋势

2012年，国际电信联盟（ITU）开始组织全球业界启动5G愿景、流量预测和未来技术趋势等前期研究，提出5G将大幅提升“以人为中心”的移动互联网业务体验，同时全面支持“以物为中心”的物联网业务，实现人与人、人与物以及物与物的智能互联的总体愿景。ITU以5G前期研究成果为指引，提出5G网络将向自动化、智能化方向发展，网络行业需求已由公众用户向行业用户延伸。研究和交流的不断深入，使得业界对5G网络的目标和性能都达成了共识。海量机器类通信、超高可靠低时延通信及增强移动宽带，这些都是5G网络主要涵盖的应用场景。为适应不同的业务场景，在5G关键能力指标方面，在保留传统的移动性、频谱效率、峰值速率和时延的基础上，ITU还提出了连接数密度、用户体验速率、能效和流量密度等4个新增关键能力指标[1]。

为满足移动通信网络业务的发展要求，未来5G网络需要实现以下目标：（1）数据流量密度提升1 000倍；（2）设备连接数目增加10～100倍；（3）用户体验速率改善10～100倍；（4）MTC终端待机时长延长10倍；（5）端到端时延缩短5倍。为了应对未来5G网络业务的发展、维护、运营的需求，需要从网络架构、无线频谱、无线接入技术等多个层面综合考虑。未来5G网络需要具备灵活性、可编程性和可扩展性，所以这就对网络架构提出了新的挑战；同时多种无线接入技术的引入同样需要未来网络架构做出相应的改良，最大限度挖掘新技术的性能增益，因此网络架构的设计至关重要。在无线频谱的开发利用中，高频段甚至超高频段和非授权频段的使用、离散频段的聚合和低频段的重耕等为满足未来频谱资源的需求提供了可能的解决方案。毫米波技术、大规模天线技术、新型多址技术、全双工技术、超密集组网（UDN）和终端直通（D2D）技术等都对提升频谱利用率、增强5G网络性能做出了一定的贡献。

2 5G移动通信的关键技术分析

5G移动通信主要依靠超高效能的无线传输技术和高密度的无线网络技术提升系统性能。在实际操作和技术应用中，主要依靠无线网络传输技术、全双工技术、直接通信技术、高频网络传输技术等。接下来对5G移动通信的无线网络传输技术、全双工技术、直接通信技术及高频网络传输技术进行分析。

2.1 无线网络传输技术

在信息技术的发展过程中，关于提高传输效率和方法的探讨一直存在。5G移动通信的发展，更重视天线的使用情况，对MIMO系统的应用也在逐步增加。天线技术是提高系统频谱效率和传输可靠性的有效手段，已经应用于3G、LTE、LTE-A和WLAN等多种无线通信系统。由信息论可知，天线数量越多，频谱效率和可靠性提升越明显。MIMO系统，即发送端和接收端均放置多个天线，形成MIMO通信链路。MIMO可以在不增加带宽或总发射功率损耗的情况下大幅增加系统的吞吐量和传输距离。当发射和接收天线数量很大时，MIMO信道容量将随收发天线数中最小值近似线性增长。目前的无线通信系统中收发端配置的天线数量都不多，但由于其巨大的容量和可靠性增益，针对大天线数的 MIMO系统相关技术的研究日益深入。2010年，贝尔实验室的Marzetta研究了多小区、TDD情况下，各基站配置无限数量天线的极端情况下的多用户MIMO技术，提出了大规模MIMO的概念[2]。之后，在此基础上众多研究人员研究了基站配置有限天线数量的情况。

根据天线配置的方式不同，大规模MIMO可分为集中式的大规模MIMO和分布式的大规模MIMO。数量巨大的天线集中配置在一个基站上，形成集中式的大规模MIMO。5G无线接入网将在“宏辅助小蜂窝”中使用大规模MIMO，采用较低频段全方位提供控制平面业务；小蜂窝则利用毫米波频段，使用高度定向的大规模MIMO波束承载用户平面的通信业务。在5G频段，包含几百数量级天线的阵列是可行的。

2.2 全双工技术

全双工技术能够实现在同一时间和同一频率下，更便捷地进行双向通信。在已有的移动通信系统中，网络和终端在发射和接收信号时，都会出现相互干扰的现象。这一现象极大地阻碍了信息的发射接收效率和质量。因此，针对这个问题，在5G移动通信的研究上进行了改进。受现有技术水平限制，想要实现双向通信时二者同时同频还十分困难。就全双工技术而言，从理论上来看，频谱的利用率被提升了不到一倍，可以灵活地使用。伴随信号处理技术以及器件技术的迅速发展，5G移动通信系统也将充分应用与挖掘同时同频的全双工技术。

2.3 直接通信技术

在不同的设备之间，利用5G网络进行直接通信，能够有效降低通信时的能源消耗和延迟。直接通信技术的使用不仅能够更好地发挥频谱资源的作用，而且也能显著提升5G通信效率和质量。

在5G 移动通信网络中，要想将数据流量提高到超过1 000倍以上，必然要通过密集网络技术的形式来实现这一目标。将5G移动网络的数据流量在室内与热点地区进行分布，不断提升用户性能，有助于网络覆盖率的提升。现阶段，智能终端设备的使用非常普遍，用户对于数据流量的要求也越来越高。因此，5G移动通信要实现预期的目标，必须通过超密集网络技术来实现。通过应用超密集网络技术，不仅可以提高系统的容量，而且能够扩大网络覆盖的范围，但同时也存在很多缺点。比如在较小的范围内，存在一定程度的干扰，对于网络能效的提升非常不利。由此可见，5G移动通信技术的发展只有依靠云计算平台，并在自动模式与智能配置之间进行切换，才能实现5G移动通信的自动智能组网。

2.4 高频网络传输技术

由于互联网时代信息资源共享性的提升，信息传递极为便利，因此现阶段移动终端用户的激增，导致了市场资源被剧烈地瓜分和争抢。竞争加剧会导致资源的相互冲突，从而影响信号的稳定性。

目前频段过多导致了频谱资源的拥挤，使得大多数数据传输频段都集中在3 GHz，高频段使用率极低。然而高频段中同样具有丰富的资源。进一步开发和完善高频网络传输，不但能够有效地缓解资源争抢问题，还能够提升数据传输的速度。但是这种技术也会受到气候环境以及距离等因素的影响，弱化信号的穿透能力。所以，在开发和研究时，还需要监测中心进一步研究系统的设计，不断提升资源优化配置的效率。

3 结语

现阶段，5G技术的进一步发展和推广有助于信息的利用和传输。虽然5G技术尚处于萌芽阶段，但是经过对现有技术的总结和思考，以及对未来发展趋势的展望，能够从观点和思路上进一步推动5G移动通信技术的发展。

[1]李荣伟. 5G移动通信发展趋势及关键技术研究[J]. 中国新通信，2018，20（2）：25-27.

[2]张荣国. 浅谈5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 电脑知识与技术，2017，13（22）：62-63.

Research on Development Trend and Key Technologies of 5G Mobile Communication

Fu Jinhua

Huizhou Branch of Guangdong Southern Telecommunication Planning & Consulting Institute Co., Ltd.,Guangdong Huizhou 516003

In recent years, with the development of technology and the increase of demand, the research and development of 5G mobile communication technology is more advanced and convenient than 4G technology, and has received widespread attention. Therefore, the paper briefly discusses the development trend and key technologies of 5G mobile communications.

5G mobile communications; key technologies; development trend

TN929.53

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