5G移动通信系统发展综述

刘雪飞

【摘要】随着科技的不断进步和人们需求的不断提高，使得人们对移动通信网络的要求越来越高。在这样的背景下，本文对5G移动通信系统的发展课题进行详细的研究。本文对5G移动通信的大致情况进行阐述，并对5G移动系统的标准化进程进行详细的说明。另外，还对5G移动系统中被公认的关键技术极性详细的说明和总结。

【关键词】5G移动通信系统;通信技术;发展背景

由于无线网络的數据承载量显著的提高，当下的移动通信系统对这样的需求无法进行充分的满足，因此，需要对其进行有效的分析研究和更新。本文从移动通信系统的背景、标准化情况和关键技术三方面对5G移动通信系统的发展进行详细的探讨。

一、引言

由于通信技术和计算机技术的快速发展，使得全新应用层出不穷，从而使无线网络所承载的数据量显著的提升。目前，移动网络已经和人们的生活密不可分，因此现有的移动通信系统已经无法对用户的需求进行满足，所以，需要在原有的移动通信系统进行研究和创新。5G移动通信系统与4G移动通信系统相比，优势主要体现在业务量空前的巨大、单位面积频谱效率显著提升、单设备吞吐量巨高。

为了使该要求能够得到充分的满足，关于未来移动通信系统的研究和开发在全球范围内进行开展，从2013年以来，欧盟、中国以及韩国等各个国家的5G研究机构和计划逐渐成立，国际电信联盟在2015年将5G正式命名为IMT-2020，与4G相比，5G在潜在应用场景以及关键能力等方面的优势都更加的突出，5G移动通信系统能够对各种应用场景进行支持，如移动宽带的增强型、低时延通信的可靠性。目前，人们希望5G在以下关键指标中能够得以提供：第一，超过10Gb/s的峰值数据速率，第二，用户体验数据速率能够达到100Mb/s，第三，3倍的频谱速率，第四，单位面积业务能力能达到10Mb/s/km2，第五，网络能量效率达到100倍，第六，空中时延控制在1ms，第七，支持500km/h的移动速度，第八，连接密度能够达到106/km2。

二、标准化情况

5G发展过程中由许多的环节组成，标准化工作是其中最重要的一个，其组织形式是由国际电信联盟发起，工业界以及运营商等共同协商制定的，制定完成后需要向国际电信联盟进行提交审核，国际电信联盟审核筛选完成后成为5G的国际标准。

国际电信联盟的5G标准化工作开展要追溯到2012年，5G标准计划由3个阶段构成：第一阶段，对预标准化进行研究，通过分析用户的需求，为未来网络技术发展方向的确定提供保障;第二阶段，关键技术研究的必要性，对关键技术的可行性进行科学的评估，并将实际网络运行和预期效果的一致性当成是研究的关键;第三阶段，对关键技术进行筛选、检验和标准化工作，预计标准的制定在2021年能够完成。

5G标准最重要的制定机构是第三代合作伙伴计划，该机构的5G标准化工作是在2016年开展的。在同年的6月份，第三代合作伙伴计划的技术规范组就Release15的工作计划达成一致，该计划不仅涵盖检查的重点，而且还提出2018年相关规定将会出台和应用，另外，在相关工作计划讨论时，由于无线和协议两方面设计前向兼容性不仅对分步功能的导入和实现其决定性的影响，而且对5G版本的发展和应用起着重要的影响作用，因此，第三代合作伙伴计划的技术规范组对其重要性进行了重点强调。在2017年召开的第75次3GPPRAN全体代表大会上，首个5G终端标准测试项目即5G新空口测试方法正式被提出并被立项，同时对5G加速的提案进行通过，这使5G标准化取得实质性进展成为了可能。此次5G加速的提案以及5G新空口标准在第三代合作伙伴计划中被通过，使相关的设备制造商以及芯片商等能够提前对其进行研发，从而为向客户提供标准化的5G 服务奠定基础。第三代合作伙伴计划在2017年下半年，将工作的重点放在新标准的制定以及5G标准的制定工作在2020年完成上。

三、关键技术

（一）大范围的MIMO技术

MIMO技术即多天线技术，其作用为使网络系统的传输状态能够保持稳定性，因此，其能够被广泛的应用于无线通信系统之中。通过相关资料的有效分析可知，天线数量与其稳定性和效率呈正相关的关系，因此，在信息系统中，天线的使用量越来越大，但是这样也会导致其过程的复杂程度越来越大，并且由于占地面积的不断扩大，使其可行性越来越低。在大规模的MIMO系统之中，通常基站具需要配备多个天线，配备2个的是最为常见的，MIMO能够在统一时频中，实现对多个用户需求的满足，并且信息在天线进行配置时，就会被传送到天线集中的基站之中，从而形成MIMO 体系。

大规模的MIMO系统中，基站能够进行配置数十根天线的操作，这样不仅可以使数据流的流量得到显著的提升，而且还能使信号的处理变得更加的简化，从而使信道硬化得以实现，进而使小尺度衰落现象得到有效的改善和消除。另外，由于大规模MIMO具备较大的波束赋形增益，从而使其在降低能量消耗方面具有显著的效果和优势。大规模的MIMO中的问题主要体现在两个方面：第一，由于射频链路的大量使用，从而使其成本和能量消耗明显的提高;第二，需要对收发天线对之间的信通状态信息消耗的频谱资源进行有效的确定。通常对该种现象的解决方式为采用混合波束赋形，对射频采用模拟波束赋形，对基带采用数字波束赋形，并且在基带和射频之间使用变频器对其进行有效连接。

（二）密集网络技术

由于时间和地点的不同，使网络中的信息传输出现不均匀的现象，为了使这种现象得到有效的解决，密集网络技术应运而生。该项技术的使用，不仅使得网络范围显著的增宽，而且使系统的容量明显的增大。5G移动通信在4G的基础上进行网络覆盖面积的增加，为了使该目的得以实现，需要科学的使用密集网络技术。密集网络技术实现覆盖面积增加的方式为：第一，在基站的外部，增加天线的数量，从而达到覆盖面积增大的目的;第二，在室外进行多个密集网络的布置，让密集网络之间进行共同协作，从而使其有效性和准确性都得到显著增强，进而使增加覆盖面积的目的得以实现。密集网络技术的缺点是会存在一定的干扰，使其高效性被降低。

（三）同时同频全双工通信技术

同时同频全双工通信技术在双向通信功能频谱增强方面具有重要的作用，目前，现有的通信技术都会受到技术等外在因素的影响，从而使双向通信功能无法得到实现，进而使得无线资源浪费现象的出现，全双工通信技术的出现对这一现象进行有效的改善。全双工通信技术能够对频谱效率的提高起着促进作用，但是其也会受到外界信号的干扰，虽然对外界干扰具有一定的阻力，但是想要使干扰完全被打破还需要进行深刻的研究。

（四）D2D通信

过去的十几年之中，使移动数据需求密度发生变化的因素主要有两个：第一，由于智能手机的使用量大幅度提升，从而为移动多媒体业务需求量的增长提供基础;第二，由于城市化进程的不断推进，使得城市人口密度显著的提高，这样导致移动用户密度不断增长的现象出现，与此同时，对设备之间距离的缩短起着一定的直接影响，从而为新通信机会的产生提供保障。目前，由于D2D通信与蜂窝网络同频，从而使其关注度显著的提升。D2D通信使设备不接入无线设施而直接通信成为了可能，但是实现的条件确是相当苛刻的，不仅需要设备具备高密度，而且使时延容忍数据在设备之间的多跳传输成为可能性。D2D通信的潜在优势在吞吐量显著提高、有效节约设备能耗等方面上得以体现，就移动通信商而言，D2D通信的优势同时体现在经济方面之中，因为D2D通信投入在网络硬件升级和全新基站部署上的成本都可以节省下来，但是在容量和覆盖增益方面的优势依旧能得以体现。

通过以前的相关资料可知，首次引入D2D通信技术的并不是蜂窝网络，但是其没有被大规模的应用，说明其受到很多因素的限制，如安全性、资金支持等。

（五）毫米波通信

提供系統容量最直接的方法之一就是增加带宽。由于毫米波含有大量能够被使用的频率，因此，其被当做是实现峰值数据速率的关键技术。即系统容量和信道带宽是呈正比的线性关系，对带宽进行有效增加，就会使系统容量得到显著的提高。

在一百多年之前，人们对毫米波就开始研究，其主要是在上世纪八十年代开始应用于无线通信之中，当下，由于6GHz以下频带中的频谱资源逐渐呈现出紧张的态势，但是毫米波波段资源却相对比较丰富，从而为人们对毫米波进行研究提供先决条件。例如：在2013年，三星使28GHz频率上1Gb/s的数据传输得以实现，与此同时，谷歌在毫米波通信研究上花费了大量的精力，在2015年，诺基亚与美国国家仪器公司进行联合，通过对其概念样机的有效使用，从而使73GHz频率上15Gb/s的数据传输得到有效实现。中国在毫米波通信研究上也花费了大量的人力物力，在2017年世界移动通信大会上，中国移动和华为对Ka波段上20Gb/s的移动接入进行有效的展示。

虽然毫米波通信的优点显而易见，并且对其进行的研究也确定很多优秀的成果，但距离其真正的大规模应用还很遥远，主要是因为毫米波通信具有路径损耗、功率损耗、穿透损耗等问题，因此，还需要使其研究向深入化和细致化方向进行。

四、结语

综上所知，5G系统的研发工作已经在全球开展，为了使5G系统的目标得以实现，人们对其关键技术进行提出和研究，但是这些技术需要进行进一步的研究，才能确定是否能够得到有效应用。

参考文献：

[1]王金鹏，叶政鹏，曹帆，邹念育.5G移动通信中基于同频干扰分布的协同分布式天线传输系统[J/OL].吉林大学学报（工学版）：1-10[2019-07-19].

[2]段滔，孙长果.5G系统天线技术发展及演进[J].电信技术，2019，04（01）：97-100.

[3]杨文东，魏琛，钱玉峰.5G移动通信系统发展综述[J].数字通信世界，2018，24（01）：15-17.

[4]黄宇红，王晓云，刘光毅.5G移动通信系统概述[J].电子技术应用，2017，43（08）：3-7.