劉雪飛

【摘要】隨著科技的不斷進步和人們需求的不斷提高，使得人們對移動通信網(wǎng)絡(luò)的要求越來越高。在這樣的背景下，本文對5G移動通信系統(tǒng)的發(fā)展課題進行詳細的研究。本文對5G移動通信的大致情況進行闡述，并對5G移動系統(tǒng)的標準化進程進行詳細的說明。另外，還對5G移動系統(tǒng)中被公認的關(guān)鍵技術(shù)極性詳細的說明和總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】5G移動通信系統(tǒng);通信技術(shù);發(fā)展背景

由于無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)承載量顯著的提高，當下的移動通信系統(tǒng)對這樣的需求無法進行充分的滿足，因此，需要對其進行有效的分析研究和更新。本文從移動通信系統(tǒng)的背景、標準化情況和關(guān)鍵技術(shù)三方面對5G移動通信系統(tǒng)的發(fā)展進行詳細的探討。

一、引言

由于通信技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，使得全新應(yīng)用層出不窮，從而使無線網(wǎng)絡(luò)所承載的數(shù)據(jù)量顯著的提升。目前，移動網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)和人們的生活密不可分，因此現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)已經(jīng)無法對用戶的需求進行滿足，所以，需要在原有的移動通信系統(tǒng)進行研究和創(chuàng)新。5G移動通信系統(tǒng)與4G移動通信系統(tǒng)相比，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在業(yè)務(wù)量空前的巨大、單位面積頻譜效率顯著提升、單設(shè)備吞吐量巨高。

為了使該要求能夠得到充分的滿足，關(guān)于未來移動通信系統(tǒng)的研究和開發(fā)在全球范圍內(nèi)進行開展，從2013年以來，歐盟、中國以及韓國等各個國家的5G研究機構(gòu)和計劃逐漸成立，國際電信聯(lián)盟在2015年將5G正式命名為IMT-2020，與4G相比，5G在潛在應(yīng)用場景以及關(guān)鍵能力等方面的優(yōu)勢都更加的突出，5G移動通信系統(tǒng)能夠?qū)Ω鞣N應(yīng)用場景進行支持，如移動寬帶的增強型、低時延通信的可靠性。目前，人們希望5G在以下關(guān)鍵指標中能夠得以提供：第一，超過10Gb/s的峰值數(shù)據(jù)速率，第二，用戶體驗數(shù)據(jù)速率能夠達到100Mb/s，第三，3倍的頻譜速率，第四，單位面積業(yè)務(wù)能力能達到10Mb/s/km2，第五，網(wǎng)絡(luò)能量效率達到100倍，第六，空中時延控制在1ms，第七，支持500km/h的移動速度，第八，連接密度能夠達到106/km2。

二、標準化情況

5G發(fā)展過程中由許多的環(huán)節(jié)組成，標準化工作是其中最重要的一個，其組織形式是由國際電信聯(lián)盟發(fā)起，工業(yè)界以及運營商等共同協(xié)商制定的，制定完成后需要向國際電信聯(lián)盟進行提交審核，國際電信聯(lián)盟審核篩選完成后成為5G的國際標準。

國際電信聯(lián)盟的5G標準化工作開展要追溯到2012年，5G標準計劃由3個階段構(gòu)成：第一階段，對預(yù)標準化進行研究，通過分析用戶的需求，為未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展方向的確定提供保障;第二階段，關(guān)鍵技術(shù)研究的必要性，對關(guān)鍵技術(shù)的可行性進行科學(xué)的評估，并將實際網(wǎng)絡(luò)運行和預(yù)期效果的一致性當成是研究的關(guān)鍵;第三階段，對關(guān)鍵技術(shù)進行篩選、檢驗和標準化工作，預(yù)計標準的制定在2021年能夠完成。

5G標準最重要的制定機構(gòu)是第三代合作伙伴計劃，該機構(gòu)的5G標準化工作是在2016年開展的。在同年的6月份，第三代合作伙伴計劃的技術(shù)規(guī)范組就Release15的工作計劃達成一致，該計劃不僅涵蓋檢查的重點，而且還提出2018年相關(guān)規(guī)定將會出臺和應(yīng)用，另外，在相關(guān)工作計劃討論時，由于無線和協(xié)議兩方面設(shè)計前向兼容性不僅對分步功能的導(dǎo)入和實現(xiàn)其決定性的影響，而且對5G版本的發(fā)展和應(yīng)用起著重要的影響作用，因此，第三代合作伙伴計劃的技術(shù)規(guī)范組對其重要性進行了重點強調(diào)。在2017年召開的第75次3GPPRAN全體代表大會上，首個5G終端標準測試項目即5G新空口測試方法正式被提出并被立項，同時對5G加速的提案進行通過，這使5G標準化取得實質(zhì)性進展成為了可能。此次5G加速的提案以及5G新空口標準在第三代合作伙伴計劃中被通過，使相關(guān)的設(shè)備制造商以及芯片商等能夠提前對其進行研發(fā)，從而為向客戶提供標準化的5G 服務(wù)奠定基礎(chǔ)。第三代合作伙伴計劃在2017年下半年，將工作的重點放在新標準的制定以及5G標準的制定工作在2020年完成上。

三、關(guān)鍵技術(shù)

（一）大范圍的MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)即多天線技術(shù)，其作用為使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸狀態(tài)能夠保持穩(wěn)定性，因此，其能夠被廣泛的應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)之中。通過相關(guān)資料的有效分析可知，天線數(shù)量與其穩(wěn)定性和效率呈正相關(guān)的關(guān)系，因此，在信息系統(tǒng)中，天線的使用量越來越大，但是這樣也會導(dǎo)致其過程的復(fù)雜程度越來越大，并且由于占地面積的不斷擴大，使其可行性越來越低。在大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)之中，通?；揪咝枰鋫涠鄠€天線，配備2個的是最為常見的，MIMO能夠在統(tǒng)一時頻中，實現(xiàn)對多個用戶需求的滿足，并且信息在天線進行配置時，就會被傳送到天線集中的基站之中，從而形成MIMO 體系。

大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)中，基站能夠進行配置數(shù)十根天線的操作，這樣不僅可以使數(shù)據(jù)流的流量得到顯著的提升，而且還能使信號的處理變得更加的簡化，從而使信道硬化得以實現(xiàn)，進而使小尺度衰落現(xiàn)象得到有效的改善和消除。另外，由于大規(guī)模MIMO具備較大的波束賦形增益，從而使其在降低能量消耗方面具有顯著的效果和優(yōu)勢。大規(guī)模的MIMO中的問題主要體現(xiàn)在兩個方面：第一，由于射頻鏈路的大量使用，從而使其成本和能量消耗明顯的提高;第二，需要對收發(fā)天線對之間的信通狀態(tài)信息消耗的頻譜資源進行有效的確定。通常對該種現(xiàn)象的解決方式為采用混合波束賦形，對射頻采用模擬波束賦形，對基帶采用數(shù)字波束賦形，并且在基帶和射頻之間使用變頻器對其進行有效連接。

（二）密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

由于時間和地點的不同，使網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，為了使這種現(xiàn)象得到有效的解決，密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運而生。該項技術(shù)的使用，不僅使得網(wǎng)絡(luò)范圍顯著的增寬，而且使系統(tǒng)的容量明顯的增大。5G移動通信在4G的基礎(chǔ)上進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的增加，為了使該目的得以實現(xiàn)，需要科學(xué)的使用密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)覆蓋面積增加的方式為：第一，在基站的外部，增加天線的數(shù)量，從而達到覆蓋面積增大的目的;第二，在室外進行多個密集網(wǎng)絡(luò)的布置，讓密集網(wǎng)絡(luò)之間進行共同協(xié)作，從而使其有效性和準確性都得到顯著增強，進而使增加覆蓋面積的目的得以實現(xiàn)。密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的缺點是會存在一定的干擾，使其高效性被降低。

（三）同時同頻全雙工通信技術(shù)

同時同頻全雙工通信技術(shù)在雙向通信功能頻譜增強方面具有重要的作用，目前，現(xiàn)有的通信技術(shù)都會受到技術(shù)等外在因素的影響，從而使雙向通信功能無法得到實現(xiàn)，進而使得無線資源浪費現(xiàn)象的出現(xiàn)，全雙工通信技術(shù)的出現(xiàn)對這一現(xiàn)象進行有效的改善。全雙工通信技術(shù)能夠?qū)︻l譜效率的提高起著促進作用，但是其也會受到外界信號的干擾，雖然對外界干擾具有一定的阻力，但是想要使干擾完全被打破還需要進行深刻的研究。

（四）D2D通信

過去的十幾年之中，使移動數(shù)據(jù)需求密度發(fā)生變化的因素主要有兩個：第一，由于智能手機的使用量大幅度提升，從而為移動多媒體業(yè)務(wù)需求量的增長提供基礎(chǔ);第二，由于城市化進程的不斷推進，使得城市人口密度顯著的提高，這樣導(dǎo)致移動用戶密度不斷增長的現(xiàn)象出現(xiàn)，與此同時，對設(shè)備之間距離的縮短起著一定的直接影響，從而為新通信機會的產(chǎn)生提供保障。目前，由于D2D通信與蜂窩網(wǎng)絡(luò)同頻，從而使其關(guān)注度顯著的提升。D2D通信使設(shè)備不接入無線設(shè)施而直接通信成為了可能，但是實現(xiàn)的條件確是相當苛刻的，不僅需要設(shè)備具備高密度，而且使時延容忍數(shù)據(jù)在設(shè)備之間的多跳傳輸成為可能性。D2D通信的潛在優(yōu)勢在吞吐量顯著提高、有效節(jié)約設(shè)備能耗等方面上得以體現(xiàn)，就移動通信商而言，D2D通信的優(yōu)勢同時體現(xiàn)在經(jīng)濟方面之中，因為D2D通信投入在網(wǎng)絡(luò)硬件升級和全新基站部署上的成本都可以節(jié)省下來，但是在容量和覆蓋增益方面的優(yōu)勢依舊能得以體現(xiàn)。

通過以前的相關(guān)資料可知，首次引入D2D通信技術(shù)的并不是蜂窩網(wǎng)絡(luò)，但是其沒有被大規(guī)模的應(yīng)用，說明其受到很多因素的限制，如安全性、資金支持等。

（五）毫米波通信

提供系統(tǒng)容量最直接的方法之一就是增加帶寬。由于毫米波含有大量能夠被使用的頻率，因此，其被當做是實現(xiàn)峰值數(shù)據(jù)速率的關(guān)鍵技術(shù)。即系統(tǒng)容量和信道帶寬是呈正比的線性關(guān)系，對帶寬進行有效增加，就會使系統(tǒng)容量得到顯著的提高。

在一百多年之前，人們對毫米波就開始研究，其主要是在上世紀八十年代開始應(yīng)用于無線通信之中，當下，由于6GHz以下頻帶中的頻譜資源逐漸呈現(xiàn)出緊張的態(tài)勢，但是毫米波波段資源卻相對比較豐富，從而為人們對毫米波進行研究提供先決條件。例如：在2013年，三星使28GHz頻率上1Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)，與此同時，谷歌在毫米波通信研究上花費了大量的精力，在2015年，諾基亞與美國國家儀器公司進行聯(lián)合，通過對其概念樣機的有效使用，從而使73GHz頻率上15Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫接行崿F(xiàn)。中國在毫米波通信研究上也花費了大量的人力物力，在2017年世界移動通信大會上，中國移動和華為對Ka波段上20Gb/s的移動接入進行有效的展示。

雖然毫米波通信的優(yōu)點顯而易見，并且對其進行的研究也確定很多優(yōu)秀的成果，但距離其真正的大規(guī)模應(yīng)用還很遙遠，主要是因為毫米波通信具有路徑損耗、功率損耗、穿透損耗等問題，因此，還需要使其研究向深入化和細致化方向進行。

四、結(jié)語

綜上所知，5G系統(tǒng)的研發(fā)工作已經(jīng)在全球開展，為了使5G系統(tǒng)的目標得以實現(xiàn)，人們對其關(guān)鍵技術(shù)進行提出和研究，但是這些技術(shù)需要進行進一步的研究，才能確定是否能夠得到有效應(yīng)用。

參考文獻：

[1]王金鵬，葉政鵬，曹帆，鄒念育.5G移動通信中基于同頻干擾分布的協(xié)同分布式天線傳輸系統(tǒng)[J/OL].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）：1-10[2019-07-19].

[2]段滔，孫長果.5G系統(tǒng)天線技術(shù)發(fā)展及演進[J].電信技術(shù)，2019，04（01）：97-100.

[3]楊文東，魏琛，錢玉峰.5G移動通信系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].數(shù)字通信世界，2018，24（01）：15-17.

[4]黃宇紅，王曉云，劉光毅.5G移動通信系統(tǒng)概述[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43（08）：3-7.