5G移动通信关键技术及发展趋势分析

2018-12-23张卫民赵新颖

无线互联科技 2018年13期

张卫民，赵新颖

（郑州铁路职业技术学院，河南郑州 451460）

移动通信技术的发展经历了从第一代模拟蜂窝通信系统到以数字移动通信系统为主的时代，从早期窄带移动通信到目前以宽带多媒体移动通信进行演进与发展的趋向。面对信息化潮流，在移动通信领域中国只有积极抢占制高点，才能赢得移动通信事业的发展先机。在信息化和工业深入融合阶段，加上人工智能、物联网发展如火如荼，宽带多媒体移动通信技术不断取得重大突破。5G通信作为未来宽带移动通信技术为具有独特的优势[1]，日益受到了世界各国政府及有关部门的关注与认同。我国对下一代通信技术开展了大量的研究工作，获得了数量可观的专利并在技术上取得了领先优势。本文致力于探析5G移动通信中取得的技术优势，同时明晰未来阶段的通信技术演进趋向。

1 基本技术特征

世界上通信技术发达的各国都投入了相当的资源研发5G移动通信技术争取在5G标准制定中占据先机，并加速布局下一代移动通信网络，它将向千兆移动网络和人工智能迈进实现“万物互联”。预计到2020年，5G移动通信技术将作为未来技术前景广阔的公共陆地移动通信系统进入人们的生产和生活中。与目前商用的4G技术相比，第5代移动通信系统具备更大的传输带宽、更快的传输速率、更多的用户连接数、更少的端到端传输时延以及更高的频谱利用率[2]。一旦商用目前海量接入应用场景如车联网、物联网、智慧城市、无人机网络、无人驾驶、远程医疗将迅速普及，这将极大地促进这些领域的生产效率。5G通信系统应用模型如图1所示。目前3G和4G技术不能对上述海量接入应用提供有效支撑，加快推进5G技术发展从而促进物联网的真正发展，物联网的应用也将推动5G技术的成熟。

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[3]。采用全新理念设计的移动通信系统有助于优化系统并降低通信成本。在未来的通信领域实践中，技术人员仍需着眼于优化设置关键指标，以凸显5G通信手段具备的适用性与技术性特征。

2 5G移动通信涉及的各项关键性技术

5G移动通信最为凸突显的优势就在于全面优化用户现有的通信体验，其中包含了多层次的移动通信手段与通信方式。运用5G技术有助于创建双向性的通信网络，在此前提下实现了同频率与同时性的新型无线传输模式[4]。下面从无线传输技术和无线网络技术的特点。简要分析5G移动通信的关键技术。

2.1 无线传输

2.1.1 多载波通信技术

全双工技术结合多载波通信技术能够显著提升频谱利用率，多载波通信技术是在空中接口传输技术中应用最为广泛的技术，利用该技术可以处理和对抗多径衰落、增强频谱效率。只要各个载波相互间带宽设置合理，利用基于滤波器组的多载波技术可有效防止子载波存在的相互干扰现象，可以发挥信号处理和多载波技术功能。因此，多载波技术具有很好的控制作用。

2.1.2 大规模天线阵列

在空中接口传输中采用多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术可提高系统的频谱效率、传输速率、系统的容量等，增强无线传输的安全性、可靠性。MIMO技术具有空间预测和分辨率，而且技术更为成熟，能够利用发射接收天线来增加信道的容量，无需增加基站密度即可实现空间的频谱效率的增强目标[5]，在同一时间、同一范围内便于基站利用同一个时频资源灵活地为大量用户接入通信系统提供服务。利用MIMO技术在基站中放置大量天线；此外，基站收发信机可以通过集中波束功能减小空间干扰，利于增强波束功率。

2.1.3 新型多址技术和全频谱技术

在第5代移动通信系统中采用了全双工通信技术，它是利用同一时频资源进行双向通信的一种技术。这种技术可减少浪费无线信道资源，时频资源部署更加灵活。目前移动通信系统中同一时频资源进行全双工的通信技术仍不完善，双工通信是通过频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）或者时分双工（Time Division Duplexing，TDD）方式进行区分的，这种全双工通信方式造成了无线信道资源的浪费，大约相当于浪费了一半的无线信道资源。在现阶段同一时频全双工技术是未来移动通信系统中空中接口传输研究的一个重要方向。

2.2 网络技术

2.2.1 超密集的异构网络技术

在移动通信中运用到多种无线传输技术，同样5G网络中存在各种无线接入技术。在技术演进中，关键在于全面优化部署密度形成多层次的异构密集网络；未来移动通信系统支持核心应用之一的海量接入应用等场景。为了能保证第5代移动通信网络支持1000倍流量应用场景的用户体验，关键需要减小网络节点的小区覆盖半径、降低发射功率、增加节点的数量。这需要超密集异构网络技术解决5G网络中支持海量接入应用引起的很多问题，比如提高频率利用率、网络容量、增强网络的灵活性等。在5G网络中运用超密集异构网络技术和有线回传技术，从而节约资源、简化程序，更好地发挥5G通信技术的优势。

2.2.2 SON技术

在目前的移动通信中，通常运用运营维护人员对系统中的资源进行优化调配。5G移动通信网络是采用异构网络方式组网，采用多种技术，无线收发信息机节点密度较大、随无线传播环境不同其覆盖能力而不同，各无线网络节点之间存在切换与控制复杂的特点；因此，在通信网络建设和运营中将面临网络节点部署、配置、运营和维护方面的挑战。利用智能化的自组织网络（Self-Organizing Network，SON）技术为5G网络进行资源配置[3-5]成为一项必不可少的关键技术。技术人员可凭借SON技术来创建全方位的网络协同模式，如图2所示。因此未来在技术改进时，应着眼于优化效能和设置无线传输参数和协同性能的显著提升。

2.2.3 新型网络架构

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）/网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）是在第5代移动通信系统中采用的一种新型网络架构与构建技术。软件定义网络架构的特点是开放性、灵活性和可编程性。这种新型网络架构采用的核心思想是软件化、虚拟化和控制与数据分离。在5G愿景中，明确提出将利用SDN/NFV作为基础技术支撑未来5G网络发展[5]。

在软件定义网络架构下，可以将网络控制平面和网络设备分离开进行管理，在控制器上实现网络控制功能。无线网络中引入SDN思想打破现有无线网络的封闭现象，从而提高网络服务质量和用户体验，实现异构无线网络互通、优化调配资源，提高无线资源利用率。

2.2.4 云计算

在未来移动通信系统中引入云计算[3]，以按需、易扩展的方式连接到远端的服务提供商，使得5G移动用户获得所需资源。移动云计算是一种全新的IT资源或信息服务的交付与使用模式，它可支持大量的应用和服务，为用户带来了很大的方便。