5G移动通信技术及发展趋势

产业观察IndustryObservation2015.08数字通信世界391引言随着移动互联网的高速发展和新的终端形态的演进，包括智能家庭、智能城市、远程医疗、环保监测等数据业务的需求呈现爆炸式的增长趋势。新兴智能业务的层出不穷，迫切需要更加高速、高效、智能化的新一代无线移动通信技术来支撑。因此，在全球第四代移动通信（4G）网络的部署方兴未艾之时，第五代移动通信技术（5G）的研发已拉开大幕。5G是继4G之后，为了满足智能终端的快速普及和移动互联网的高速发展而正在研发的新一代移动通信技术，是面向2020年以后人类信息社会需求的第五代移动通信网络。25G概念5G指的是第五代移动通信技术。与前四代不同，5G并不是一个单一的无线技术，而是现有的无线通信技术的一个融合。目前，LTE峰值速率可以达到100Mb/s，5G的峰值速率将达到10Gb/s，比4G提升了100倍。现有的4G网络处理自发能力有限，无法5G移动通信技术及发展趋势宋文杰（山东省招远市广播电视台，招远265400）摘要：本文首先介绍了5G概念和特点，然后阐述了5G移动通信的关键技术，最后对5G移动通信技术所面临的问题和发展趋势进行了分析。关键词：5G特点；关键技术；面临问题；发展趋势doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.08.011中图分类号：TN929.53文献标示码：A文章编码：1672-7274（2015）08-0039-04Abstract:Firstly,the5Gconceptandcharacteristicswereintroduced,andthenthekeytechnologyof5Gmobilecommunicationindetail,finallytheproblemsanddevelopmenttrendof5Gmobilecommunicationtechnologyareanalyzed.Keywords：Thecharacteristicsof5G;Keytechnology;Facingtheproblem;DevelopmenttrendSongWenjie(ZhaoYuanTelevisionStation,Zhaoyuan,265400)5GMobileCommunicationTechnologyandDevelopmentTrend作者简介：宋文杰，男，1973年生，助理工程师，主要从事广播电视技术工作。产业观察导航天地GNSSWORLDIndustryObservation2015.0840DIGITCW支持部分高清视频、高质量语音、增强现实、虚拟现实等业务。5G将引入更加先进的技术，通过更加高的频谱效率、更多的频谱资源以及更加密集的小区等共同满足移动业务流量增长的需求，解决4G网络面临的问题，构建一个高速的传输速率、高容量、低时延、高可靠性、优秀的用户体验的网络社会。35G特点5G网络包括五大应用场景：随时随地最佳体验；支持大规模人群；超高速场景；超可靠的实时连接；无处不在的物物通信。5G有以下特点：⊙相对于4G网络，5G网络峰值速率需要提升10倍，达到10Gb/s以上。⊙相对于4G网络，时延超低和可靠性高，业务时延小于5ms，可实现450km/h高速环境下通信。⊙相对于4G网络，5G网络频谱利用率高，而且平均频谱效率需要提升5～10倍，将利用演进及频率倍增或压缩等创新技术提升频率利用率。⊙一般用户可获得10Mb/s速率，特殊用户达到100Mb/s。⊙联网移动设备数量增加到现在的100倍，网络容量提升1,000倍。⊙更加绿色节能的5G系统，通信能源消耗将是目前网络的十分之一。45G关键技术4.1高频段传输技术对于移动通信系统而言，在3GHz以下的频段可以很好地支持移动性，有良好的覆盖范围，但目前在这一区间的频谱资源十分紧张。而在3GHz以上的频谱资源非常丰富，如果能够有效利用这一区间的频谱资源，将会极大地缓解频谱资源紧张的问题，因此，高频段的使用将会成为未来发展的趋势，未来无线通信需要利用高频段传输技术来提高系统容量。4.2MIMO技术MIMO信道容量具备随收发天线数中的最小值呈类似线性增加特征。通过添加多个天线，可以为无线信道带来更大的自由度，以容纳更多的信息数据。MIM0可以大幅增加系统的吞吐量及传送距离，运用大规模多天线技术MIM0已成为提高系统频谱利用率和传输可靠性的有效手段，为大幅度提高网络系统的容量提供了一个有效的途径。4.3全双工技术全双工通信技术即同时同频地进行双向通信技术。在无线通信系统中，网络侧和终端侧有着固有的发射和接收信号的自干扰，当前因技术条件限制，无法实现同时同频的双向通信。全双工技术在理论上可提高频谱利用率的一倍潜力，可以实现更为灵活的频谱使用，同时因为器件技术和信号处理技术的发展，同时同频的全双工技术将在5G移动通信系统中得到充分地挖掘和应用。4.4设备间直接通信技术（D2D）传统的移动通信系统组网方式，是以基站为中心实现小区覆盖，中继站及基站不能移动，网络结构的灵活度有限制。未来5G网络，数据流量大，用户规模大，传统的以基站为中心的业务组网方式，无法满足业务需求。D2D直接通信技术能够在没有基站的中转下，实现通信设备之间的直接通信，拓展了网络连接和接入方式。D2D技术是短距离直接通信，信道质量高，具有较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；通过广泛分布的终端设备，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用；支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。4.5多载波技术在5G系统中，为了达到高数据速率，将可能需求高达1GHz的带宽，但在低频段难以获得连续的宽带频谱资源，在这些频段中，有的无线传输系统，比如电视网络系统中存在白频谱资源，这些白频谱的位置可能是不连续的，希望在5G中能够采用新型的多载波技术实现对这些频谱的使用。4.6新型网络架构技术为了满足未来大规模、高容量的业务需求，5G网络架构将具有低时延、低成本、扁平化、易维护等优点。新型无线接入网架构具有基于协作式无线电技术、集中化处理技术、实时云计算构架技术的产业观察IndustryObservation2015.08数字通信世界41输技术等新型通信技术，将成为未来5G技术的重要研究方向。新型传输技术的启用和组网方式的创新，将增加设备的复杂度和研发成本，对网络建设和运营维护带来重大挑战。5.3终端设备问题5G是一个多技术的集成网络，融合了目前2G，3G，4G的技术，并将启用和开发多种新兴技术。5G终端设备将支持5～10个甚至更多不同的无线通信技术，并且要支持1Gb/s以上空间速率，待机时间达到现有的4～5倍。因此，要实现低成本多模终端的研发，对终端设备的芯片和工艺、射频技术以及器件、电池寿命等技术研发带来了挑战。5.4网络能耗与成本降低问题5G目标是提供1,000倍数据流量，并且运营成和用户成本不能增加，这就意味网络总体能耗和体成本基本不能提升。因此，5G网络的端到端比能耗效率就要提升1,000倍，并且降低单位比特开销1,000倍，这对网络架构、空间传输、内容分发、交换路由、网络管理和优化等技术带来挑战。5.5产业生态问题传统的3G，4G通信系统是以网络运营商和技术为主体，未来5G网络是以用户体验和业务应用为主体，当前的网络架构、管控理念并不适用未来5G的产业生态结构和潜在的新兴运营模式。因此，需要发展诸如软件定义网络（SDN）新技术来满足未来业务应用需求，解决产业生态结构问题。65G移动通信技术发展的趋势5G移动通信技术，已经成为移动通信领域的全球性研究热点。随着科学技术的深入发展，5G移动通信系统的关键支撑技术会得以明确，在未来几年，该技术会进入实质性的发展阶段，即标准化的研究与制定阶段。同时，5G移动通信系统的容量也会大大提升，其途径主要是进一步提高频谱效率、变革网络结构、开发并利用新的频谱资源等。2013年初，欧盟等国家的第7框架计划中启动了关于5G的研发项目，共有29个参加方，我国的华为公司也参与其中。随着该项目的启动，各种5G移动通信技术的研发组织应运而生，如韩国成立的5G技术论坛，中国成立的IMT-2020(5G)推进组等。目优点。其本质是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。4.7网络智能化技术5G的中心网络将是一个大型服务器组成的云计算平台，通过具有数据交换功能的路由器及交换机网络与基站相连，宏基站具有云计算和大数据存储功能，特别大或时效性强的数据将提交云计算中心网络处理，基站或终端的形态、数量多，不同的业务采用不同的频段，天线和连接方式多样。因此，需要具有智能配置、智能识别、自动模式切换的功能，实现智能自主组网，未来智能化技术将是5G网络的关键技术之一。4.8软件定义无线网络技术在传统的Internet网络架构中，控制和转发是集成在一起的，网络互联节点（如路由器、交换机）是封闭的，其转发控制必须在本地完成，使得它们的控制功能非常复杂，网络技术创新复杂度高。软件定义网络的基本思路将路由器中的路由决策等控制功能从设备中分离出来，统一由中心控制器通过软件来进行控制，实现转发和控制的分离，从而使得控制更为灵活，设备更为简单。55G技术面临的问题5.1技术与系统融合问题随着芯片技术的更新换代和智能终端的快速发展，无线移动通信业务和技术不断拓展和相互融合。未来的5G网络将是一个集成多业务、多技术的融合网络，是一个多层次覆盖的通信系统。要将多种接入技术、多种业务网络以及多层次覆盖的系统进行综合集成、有机融合、高效利用等，就目前技术而言，还有许多需要解决的问题。5.2频谱效率和容量问题要实现5G网络数据流量大、用户规模大、数据速率高、永远在线的需求目标，必须研发扩展频率、提高容量和空间效率、提升系统覆盖层次和站点密度等各种通信技术。例如，超密集网络技术、多天线技术和多址技术、多输入多输出（MIMO）空间传产业观察导航天地GNSSWORLDIndustryObservation2015.0842DIGITCW前，世界各个国家正积极就5G移动通信技术的应用需求、关键技术指标、使能技术、候选频段、发展愿景等各个方面进行全面的研讨，以期在2015年召开世界无线电大会时达成共识，在2016年后积极启动关于5G移动通信技术的相关行业标准进程。移动互联网的快速发展是推动5G移动通信技术发展的主要动力，移动互联网技术是各种新兴业务的基础平台，目前现有的固定互联网络的各种服务业务将通过无线网络的方式提供给用户，后台服务及云计算的广泛应用势必会对5G移动通信技术系统提出较高的要求，尤其是在系统容量要求与传输质量要求上。5G移动通信技术的发展目标主要定位在要密切衔接其他各种无线移动通信技术上，为快速发展的网络通信技术提供全方位和基础性的业务服务。就世界各国的初步估计，包括5G移动通信技术在内的无线移动网络，其在网络业务能力上的提升势必会在三个维度上同步进行：第一，引进先进的无线传输技术之后，网络资源的利用率将在4G移动通信技术的基础上提高至少10倍以上；第二，新的体系结构（如高密集型的小区结构等）的引入，智能化能力在深度上的扩展，有望推进整个无线网络系统的吞吐率提升大概25倍左右；第三，深入挖掘更为先进的频率资源，比如可见光、毫米波、高频段等，使得未来的无线移动通信资源较4G时代扩展4倍左右。为了提升5G移动通信技术的业务支撑能力，其在网络技术方面和无线传输技术方面势必会有新的突破。在网络技术方面，将采用更智能、更灵活的组网结构和网络架构，比如采用控制与转发相互分离的软件来定义网络架构、异构超密集的部署等。在无线传输技术方面，将会着重于提升频谱资源利用效率和挖掘频谱资源使用潜能，比如多天线技术、编码调制技术、多址接入技术，等等。7结束语当代科学技术的飞速发展，尤其是网络通信技术的迅猛发展，将有力推动5G移动通信技术的发展进程。目前，5G移动通信技术的科研尚处于起步阶段，并即将迈入发展的关键时期