王 準(zhǔn)

廣州工商學(xué)院，廣東 廣州 510850

5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)與發(fā)展前景

王 準(zhǔn)

廣州工商學(xué)院，廣東 廣州 510850

2017年9月，德國(guó)電信正式宣布聯(lián)合中國(guó)華為公司推出全球首個(gè)5G商用網(wǎng)絡(luò)，這也意味著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在全球第一個(gè)政府和企業(yè)推廣。5G即第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)，其技術(shù)正處在飛速發(fā)展階段，在全球各科研機(jī)構(gòu)和高校得到了廣泛研究?；诖耍瑢?duì)5G網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)和未來(lái)發(fā)展前景進(jìn)行了綜述。

5G；前沿技術(shù)；發(fā)展前景

1 5G網(wǎng)絡(luò)概述

世界通信技術(shù)先后經(jīng)歷了1G、2G、3G、4G幾個(gè)重要時(shí)代，其特點(diǎn)如表1所示。在5G時(shí)代，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率將是4G峰值的100倍，意味著一部高品質(zhì)的電影1秒鐘就能夠完成下載。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)的功耗要比4G低，從而推動(dòng)新的無(wú)線產(chǎn)品的誕生。在5G時(shí)代，用戶可以無(wú)縫、平滑地在任意空間過(guò)渡，省去了頻繁切換網(wǎng)絡(luò)和密碼輸入的麻煩，Wi-Fi很可能“消失”，同時(shí)萬(wàn)物可以實(shí)現(xiàn)真正互聯(lián)，移動(dòng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將向全新行業(yè)擴(kuò)展，并創(chuàng)造出全新的商業(yè)模式。未來(lái)，每一件物體都有傳感器，利用5G實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，手機(jī)、人、機(jī)器、交通工具、家居用品甚至花草樹木等等都有獨(dú)立的IP，萬(wàn)物皆可控、可交流、可定位，彼此協(xié)同工作，超越了時(shí)間和空間上的限制。

2 5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)，顧名思義就是將傳統(tǒng)MIMO的天線數(shù)增加?，F(xiàn)有文獻(xiàn)的仿真大多采用100～256根天線，現(xiàn)有的原型機(jī)一般采用128根天線。關(guān)于天線數(shù)目增加后系統(tǒng)性能的討論其實(shí)很早有了。直到 2010 年底，貝爾實(shí)驗(yàn)室的T. L. Marzetta在《無(wú)線通信》中提出了大規(guī)模多天線的理論。大規(guī)模MIMO技術(shù)由一些低功耗且價(jià)格并不昂貴的天線組件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就為在高頻段上的移動(dòng)通信提供了廣闊的前景[1]。同時(shí)它擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、擴(kuò)展了系統(tǒng)容量，大大提升了無(wú)線頻譜效率，幫助運(yùn)營(yíng)商最大限度地利用已有的站址資源和頻譜資源。

表1 各移動(dòng)通信技術(shù)特點(diǎn)

大規(guī)模MIMO技術(shù)為5G 系統(tǒng)帶來(lái)了一系列優(yōu)點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)極大地提升了空間分辨率。大規(guī)模MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間資源的深度挖掘，即使在沒(méi)有基站分裂的條件下。相比于單一天線系統(tǒng)，大規(guī)模MIMO技術(shù)能夠通過(guò)空域、時(shí)域、頻域、極化域等不同的維度提升能量利用效率和頻譜利用效率[2]。因此，大規(guī)模MIMO技術(shù)被認(rèn)為是一種可以同時(shí)提升速率和系統(tǒng)容量，且能減少傳輸時(shí)延和能量消耗的可行性關(guān)鍵技術(shù)。在現(xiàn)今的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)中，常規(guī)的MIMO技術(shù)在日益增長(zhǎng)的通信需求下將不再適應(yīng)。5G大規(guī)模多天線技術(shù)方案將極大地增加基站天線數(shù)目，潛在大規(guī)模范圍陣列會(huì)達(dá)到 100×100甚至更大。

2.2 超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Ultra-dense HeNets）

網(wǎng)絡(luò)中立體分層網(wǎng)絡(luò)（HetNet）是指，在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)層中布放大量微蜂窩（Microcell）、微微蜂窩（Picocell）、毫微微蜂窩（Femtocell）等接入點(diǎn)，來(lái)滿足數(shù)據(jù)容量增長(zhǎng)要求。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，萬(wàn)物接入網(wǎng)絡(luò)，大大增加了HetNet的密度。

2020 年以后，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。未來(lái) 5G 網(wǎng)絡(luò)將減小小區(qū)半徑和增加低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)保證 1 000 倍流量增長(zhǎng)帶來(lái)的壓力。所以，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將成為未來(lái) 5G 網(wǎng)絡(luò)提高數(shù)據(jù)流量的關(guān)鍵技術(shù)。密集部署的網(wǎng)絡(luò)使終端與節(jié)點(diǎn)間的距離大大拉近、網(wǎng)絡(luò)頻譜效率和功率大幅提高、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和系統(tǒng)容量擴(kuò)大、不同接入技術(shù)和覆蓋層間的靈活性增強(qiáng)。

2.3 毫米波

毫米波是指波長(zhǎng)在毫米數(shù)量級(jí)的電磁波，其工作在30～300 GHz之間。無(wú)線通信的最大信號(hào)帶寬約為載波頻率的5%左右，因此越高的載波頻率，可提供越大的信號(hào)帶寬。在毫米波頻段中，5G網(wǎng)絡(luò)可使用28 GHz頻段和60 GHz兩個(gè)頻段。28 GHz頻段可達(dá)1 GHz的可用頻譜帶寬，而60 GHz頻段每個(gè)信道的可用信號(hào)帶寬則到了2 GHz，同時(shí)可分4個(gè)信道。相對(duì)來(lái)說(shuō)，4G-LTE頻段只有2 GHz左右的最高頻率的載波，且頻譜帶寬只有100 MHz可用。因此，使用毫米波頻段可以輕松獲得10倍以上的頻譜帶寬，大大提高了傳輸速率。使用毫米波頻段使得手機(jī)在線觀看藍(lán)光品質(zhì)電影變得更加輕松。

毫米波技術(shù)不太適合在室外手機(jī)終端和基站距離很遠(yuǎn)的場(chǎng)合使用，因其在空氣中衰減非常大[3]。各大廠商對(duì)5G頻段使用的規(guī)劃是在戶外開(kāi)闊地帶使用較傳統(tǒng)的6 GHz以下頻段以保證信號(hào)覆蓋率，而在室內(nèi)則使用微型基站加上毫米波技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸，如圖2所示，毫米波必須配合微型基站使用。

2.4 多址接入

多址技術(shù)是每一代移動(dòng)通信技術(shù)的關(guān)鍵特點(diǎn)之一。5G網(wǎng)絡(luò)除了對(duì)傳統(tǒng)的 OFDMA 技術(shù)支持外，還將提供對(duì)SCMA、NOMA、PDMA、MUSA 等多種新型多址技術(shù)的支持。這些多址技術(shù)通過(guò)多用戶的疊加傳輸，不但使用戶連接數(shù)得到提升，還有效增強(qiáng)了系統(tǒng)頻譜效率，同時(shí)還可以使系統(tǒng)時(shí)延大幅度降低。

圖2 毫米波工作示意圖

非正交多址接入技術(shù)（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）利用3G時(shí)代的非正交多用戶復(fù)用原理，并將之融合于現(xiàn)在的4G OFDM技術(shù)之中。非正交多址接入（NOMA）是基于功率域復(fù)用的新型多址方案，它增加了接收端的復(fù)雜度，來(lái)?yè)Q取更高的頻譜效率。隨著未來(lái)設(shè)備計(jì)算能力的大幅度提升，該方案也具有相當(dāng)?shù)目尚行浴?/p>

3 5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展前景

面向 2020 年及以后，隨著超高清視頻、物聯(lián)網(wǎng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、云計(jì)算、在線手游等業(yè)務(wù)的發(fā)展，未來(lái)的5G 網(wǎng)絡(luò)將提供比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)高10倍以上的無(wú)線接入寬帶。在高鐵、飛機(jī)、公交等高速移動(dòng)交通工具中，5G 網(wǎng)絡(luò)將提供比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定的移動(dòng)性支持。5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能支持更低功耗，在智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等低功耗場(chǎng)合，成為綠色環(huán)保的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；在車聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、工業(yè)控制、可穿戴設(shè)備等低時(shí)延高可靠場(chǎng)合，成為高可靠性的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

[1]趙國(guó)鋒，陳婧.5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，27（4）：441-452.

[2]尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2014，44（5）：551-563.

[3]張平，陶運(yùn)錚，張治.5G若干關(guān)鍵技術(shù)評(píng)述[J].通信學(xué)報(bào)，2016，37（7）：15-29.

Frontier Technology and Development Prospect of 5G Mobile Network

Wang Zhun
Guangzhou Business College, Guangdong Guangzhou 510850

In September 2017, Deutsche Telekom officially announced that the joint Chinese HUAWEI company launched world’s first 5G commercial network. It also means that 5G network technology is the first government and enterprise promotion in the world. 5G is the fifth generation mobile communication system, and its technology is in the stage of rapid development, and its technology has been widely studied in the global scientific research institutions and colleges and universities. In this paper, the 5G network frontier technology and future prospects are reviewed.

5G; frontier technology; development prospect

TN929.5

A

1009-6434（2017）7-0029-02

王準(zhǔn)（1983—），男，湖南長(zhǎng)沙人，講師，網(wǎng)絡(luò)工程師，研究方向?yàn)樵朴?jì)算、網(wǎng)絡(luò)安全等。

2017年度廣州工商學(xué)院校級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程和應(yīng)用型人才培養(yǎng)課程立項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目：樓宇智能化與綜合布線（NO.CX20170510）；2016年度廣州工商學(xué)院校級(jí)本科“質(zhì)量工程”立項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目：基于校企協(xié)同育人的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式改革與創(chuàng)新（NO.ZL20161212）。