5G无线通信场景需求与技术演进

李海波

（广西通信规划设计咨询有限公司，广西 南宁 530007）

0 引 言

目前，我国的4G技术已经趋于成熟，4G网络的数据基本实现了全面覆盖，而5G技术还处在研发、调整和试运营的状态。在众多的技术中，TACS与AMPS是最具有代表性的技术。但是，由于这两种技术采用的系统应用范围较小，目前难以做到全面推广。回顾通信产业的发展历史，自从人们进入21世纪后，随着网络用户的总数急剧增加，人们对通信的要求也越来越高。2G网络已经难以满足人们对通信的需求，那时的人们亟需有新的通信技术来取代2G通信。在发展的过程中，3G网络曾经也被广泛的运用过，但是由于3G网络的稳定性和速度都较低，所以3G网络很快就被淘汰了。4G网络的出现在很大的程度上改善了人们的通信体验，不仅极大地提升了网络的速度，而且其稳定性和安全性也受到了人们的普遍好评。分析现状可知，我国运用最广泛的还是4G网络。而在近期提出的5G网络则是在4G的基础上的一个巨大飞越。目前，5G已经局部投入使用，可以预测在不久的将来5G网络也会逐渐走进人们的生活，成为网络发展史上的又一重要里程碑。

1 5G技术概况与技术特点

1.1 5G技术概况

5G的实际含义指的是第五代移动电话系统。它是在目前的4G网络上发展起来的新技术，是4G的延伸。但是5G技术到目前为止还没有任何一家通信公司或者国际的标准制定组织以文件的形式对其有明确的定义和技术注释。三星集团在2013年就在5G技术上取得了突破，并且预定在2020年开始让5G网络走向商业化。为了迎接5G时代的来临，4G网络还在进一步的扩张中，希望通过用户数量的增加来加强部署。这么做的目的意在扩大服务容量，使得更多的用户能够早日使用5G通信网络。但是小型基站的部署和建立工作也会受到一定的阻碍。例如，过于密集的基站之间可能会造成信号干扰，如何削弱这种干扰成为了当下最值得研究的课题之一。此外，5G网络在推进的过程中逐步演变成立无线技术。目前，投入使用的无线技术有3G/4G/WiFi，还有很多近年来新研制的其他无线技术。所以，从某种程度上来说，5G网络是将现在所有的无线通信技术进行了一次具有意义的融合，并在融合的基础上衍生出了其他的新技术。5G技术在满足人与人之间的联通的同时，结合物联网技术实现了人与物之间的联通。

1.2 5G技术特点分析

5G与4G比较起来具有较为明显的特点。首先，5G基站的修建相对于4G基站会趋于小型化。由于小型化的实现，所以5G基站对环境的要求不高，能够适应大部分地区。此外，5G的优势还体现在其强大的功能，可以消除传统通信中的汇聚节点。同时，5G网络的网络结构也更加扁平化，因为按照目前的发展轨迹，5G网络的基站将会建立在大型的服务器群中。例如，人们现在下载一部电影所需要的时间可能是几分钟甚至更长，但如果使用5G网络，那么下载一部电影的时间将会被大幅缩短至可能只要几秒钟。除了速度更快之外，5G网络还可以实现随时接入，且站点密集、稳定性强[1]。

2 5G无线通信场景需求

2.1 5G发展背景简述

分析人类的无线通信发展轨迹可知，往往都是随着社会的发展，人们对通信场景的要求产生的变化在促进通信技术的发展。因此，如果能够准确把握人们对通信场景的要求，那么就能够较为准确地预测未来通信技术的发展方向。我国现有的几家大型通信公司都有专门的研究团队，他们会对场景需求进行调研和设计，在我国不同的区域内有针对性的收集人们的需求，并以需求为基础来进行相关的研究工作。

2.2 5G场景需求

5G通信网络的场景需求相对于4G有明显的不同，具体有如下三个特征。第一，高转换的通信场景需求。高转换就是要求在各种通信场景之间进行转换时的效率是非常高的。对于同一个人，可能上一分钟是建筑工地上的建筑工人，对网络的使用不那么频繁，但是下一分钟可能就会到市中心进行采购，需要大量的通信支持，这两种巨大反差的通信要求可以在很短的时间内完成转换。第二，高密度的通信场景需求。由于如今信息技术的发展，人们获取信息的总量相对于以前有了明显的提升，因此通信网络要能够满足在较小的区域内服务更多的人群，要能够支持更多的人接受密集的信息。为了满足这一需求，5G网络的通信基站将会更加高效、更加小型，也更加密集。第三，高速度的通信场景需求。4G网络由于其稳定性和传输速度都难以满足现代人们快节奏的生活，所以就要求5G网络的速度要比4G网络有明显的提升。在5G网络的支撑下，人们很快就可以享受到比4G快50倍的通信速度，以及更加便捷的网络服务。但是在这样的高速通信下，通信是否稳定、是否安全则是人们的关注点。因此，研究人员要确保网络信号的稳定，并具有抗干扰的能力。未来，在5G网络下，人们不仅可以让自己的移动设备接收各种信息，还可以实时将信息传到个人云端[2]。

3 5G技术演进路线

5G技术的发展过程如图1所示，将会有很多新的功能被加入到网络标准中。载波聚合技术和Massive-MIMO技术是当今热门技术。前者的设计初衷是要实现将多个处于离散状态下的载波结合起来，以达到提高带宽的目的。正是由于这一技术的诞生，所以未来通信所能够利用的有效频谱会更加宽泛。

图1 5G技术演进路线

Massive-MIMO的设计目的则是为了提高天线信号的输出能力。5G技术的相关研究人员也在试图通过重组网络构架来提高网络的质量和稳定性。由于云技术的快速发展，目前传统的移动接入网的结构已经被完全颠覆。传统的基站是按照分布式排列的，相邻的两个基站之间的联通方式是借助X2口。这样的接入方式有一个明显的弊端，其时延问题和backhaul容量的大小在很大程度上限制了LTE的传输能力。云技术也有效的提升了backhaul的容量大小，同时由于云技术的交流性强，也实现了设备之间的数据共享。

此外，4G网络对硬件的依赖程度较高，5G技术也突破了这一壁垒。4G网络中很多功能都需要依赖硬件来实现，而在5G中将对这些功能进行进一步的划分。NTF技术就是对现有的传输模式进行再整理和重划分，让通信过程中的很多功能的实现不在需要依赖专门的硬件设备。降低对硬件的要求能够进一步提升网络的稳定性和适应性。这项技术最早是由欧洲的有关部门提出的，并且已经得到广泛的应用。目前，研究人员正在试图将这项技术应用到接入网中。

为了进一步提高5G网络的流畅性和速度，研究人员正在从如下4个方面着手。（1）加强信号的功率；（2）增加信号的稳定性；（3）推荐频段的通信模型建立；（4）提高上下行信号传输的效率。

为了实现信号功率的增强，Massive-MIMO和CoMP两项技术得到应用。前者是通过增加天线的数量来增加信号的功率，后者是利用联合信号来增加信号的功率。

为了增加信号的稳定性和提升信号的抗干扰能力，研究人员正在试图研究新型的调制解调器。目前，部分调制解调器的设计中运用了NOMA技术。该技术是人们十分重视的一项技术，甚至有人预测该技术在下一代调制解调器中将会被广泛的采用。该技术的主要功能是使信号的抗干扰能力得到大幅增加，实现方法是将同一资源进行分配，不同的用户共享一个资源。这项技术的优点十分明显，应用前景也很广阔，但是其缺点在于实现难度大，需要复杂的接收机。因此，目前，此项技术还处于研究之中[3]。

5G的频段大多在毫米波传输上。在这样的频段上实现无线通信，建立信道模型是有一个需要解决的技术难题。

5G网络的发展需要综合现有的多项通信行业的核心技术。

4 结 论

人们的生活和人类文明的发展越来越依赖于通信技术。同时，通信技术也已经渗透到了人们生活中的方方面面。未来的通信是5G时代。通过现有的实验结论和模拟运营，人们已经意识到了5G网络的优越性。但是，现在距离5G时代的真正来临还有很长的一段路需要走，还有很多技术难题需要攻破。可以确定的是，在不远的将来，5G技术将会全面普及到人们的日常生活中。