试论5G技术及其发展趋势

康玉文

试论5G技术及其发展趋势

康玉文

5G移动通信技术至今还处于初步探索阶段，新的移动通信系统备受关注。本文基于目前实际背景进行分析考量，对5G移动通信进行简要的概述，同时对其总体发展趋势进行分析，以及5G移动通信涉及到的高科技技术做深入的研究，最后对5G的未来发展进行展望。

5G；SDN技术；关键技术；发展趋势

现代社会人们越来越依赖于通信技术，因此，5G移动通信的关键技术与发展趋势也逐渐引起人们广泛关注。移动通信技术在不断的更新，从2G升级到3G，再到现在的4G网络，每个网络阶段都有其独特的亮点，其发展速度是很非常迅速的。4G网络速度我们都已经感受过了，可以期待今后5G的高速网络将给我们带来更加完美的体验。而其中涉及到的高端技术也是极其复杂的，文中将会重点介绍几个关键的技术支持。社会在期待新技术的发展，也鼓励新技术的创新，相信5G移动通信时代必将会到来。

信息化时代对移动通信的发展要求极高，5G 预计在 2020 年将成为主要的移动通信系统。目前流行的主网络是4G 移动通信，而5G网络比4G网络有明显的优势，对于传输速率、资源利用率和频谱利用率都有较好的技术基础，主要在用户体验、传输速率、无线网络的覆盖面等方面有大幅度提高[1]。先进的无线移动技术作为基础，5G 移动通信今后将走自动化、智能化方向发展道路。5G具有频谱利用率高、不断优化的设计理念、系统性能高、运营成本低，以及能耗考量标准等特点。

1 5G移动通信的技术分析

就5G通信系统而言，其重点在对无线传输技术和网络技术方面进行大胆改进和创新。无线传输技术方面，进一步对频谱效率进行提升和挖掘，对多址接入技术、多天线技术、网络编码调制、创新的波形设计等方面进行改进；选用更加全面、更智能的网络架构和组网技术改进无线网络方面的设计，对软件划分进行无线网络架构、协调统一的自组织网络部署。

1.1 网络技术分析

1.1.1 超密集异构网络技术

新型无线传播技术会随着5G 移动通信系统的广泛使用得到突破性发展，有利于前期无线传输技术的优化。因此，5G 移动通信系统依靠的是多种无线接入方式相互协调并存，可以同时存在、利用。由多层覆盖的接入技术在覆盖异构组成，宏站的覆盖区域内,通过各类无线传输技术进行低功率节点的部署。将明显的提升现有站点的部署密度，这也是未来的无线网络发展趋势。相比较而言站点之间的距离相对于原有站点的距离出现缩短(距离缩短有10 米)、覆盖范围加大(平均在每平方公里内有 25000 个用户), 几乎可以做到一个服务节点对应一个用户，出现一个密集度超高的异构网络。

网络的密集化程度高，使网络节点距离终端更接近, 有效地提高功率效率、频谱效率，同时系统容量也会有明显增加，各种接入技术以及各覆盖层将更加灵活多变。超密集异构网络展现出让人心动的前景，但因为节点距离的缩减，现有系统将与此发生冲突。在5G 网络中，会出现同一种无线接入技术间同频部署的干扰、在不同无线接入技术受到共享频谱的干扰、覆盖层次各异, 怎样处理这些干扰引起的性能损伤，多类型的无线接入技术、层次之间的共存问题, 是必须进行深入研究；因为邻近节点的传输损耗相差小，有多个干扰源并存，其强度相近，引发更严重的干扰，5G 系统不能直接使用面向单个干扰源的干扰协调算法；不同业务以及QoS的要求是不一样的，网络中分配不同业务、相互协同策略、网络选择。完善的配置策略可以确保系统性能[5]。进行大规模的节点协调配合，大规模的相邻节点要准确发现其位置；因为小区界限模糊、有不规则现象, 切换频繁、并且复杂,难以满足其移动性，特定针对超密集网络场景做切换算法[4]；由于大用户部署的节点随时、随机启动和切断，随机变化网络拓扑以及干扰图样、动态变化范围大，基于小站中的用户数量比较少，在业务上出现空间、时间的剧烈变化，关于动态变化的网络动态要研究相应的部署技术；高密集的部署依托于庞大、复杂的回传网络，进行有线回传，引发网络部署的难题并且大大增加运营商成本。如何提高节点部署的灵活性，减少运营成本，实现无线回传传输技术，这是处理难题的重要方向。

1.1.2 自组织网络技术

通常，移动通信网络建设中, 主要是依靠人工手段来进行网络部署、运行和维护, 这将耗费大量的人力成本，无形中增加了运营成本。 从数据分析来看，运营成本占各大运营商收入的2/3左右。移动通信网络的智能化发展趋势,单纯依靠人工的方式不能对网络实行优化。 因此, 要解决网络部署、技术优化等问题, 从根本上降低运营成本,运营商在满足客户需求前提下，为了能高效维护网络并得到稳定发展,NGMN 联盟中以运营商为主,结合网络主要的设备制造厂商引出了自组织网络(SON) 的概念。 这个思路主要通过网络中发挥自组织能力,包含自配置、自优化等环节，提高智能化水平，减少人工干预。在网络规划、部署、维护、优化和排障等全面实现自动处理。当下自组织网络作为新铺设网络的必备特性,可以作为商用, 并凸显其优势。5G 系统运用专业的无线传输技术以及复杂的无线网络结构,增加网络管理的复杂程度,网络深度智能化可以提高5G 网络性能。这样看来, 5G网络的重要技术是自组织网络，5G 对各类将异构网络进行融合、协同处理。 在技术层面上,多层、多无线接入技术实现共存,这将使网络结构变得复杂,无线接入技术与网络覆盖能力节点之间存在复杂的联系, 对于网络开展部署、运营计划、维护工作都非常困难。 但网络部署、运营维护变简单，成本降低,网络维护工作质量得到提高, 未来5G网络趋势应该更智能、有统一SON 功能,可以让各种无线接入技术并存，联合实现自配置、自升级、自修复。

当前的网络发展LTE、LTE-A 以及UMTS、WiFi 的SON 技术是比较健全的,可以运用于新部署的网络。现有的SON 技术基本是针对各自网络, 从自身网络的角度来做独立的部署而进行自配置、自优化和自修复功能,不能进行多网络间互相协调。因此,要对SON 技术深化研究,例如在异构网络中支持无线回传，对节点自动配置, 处在有差异系统中能进行自优化, 优化改进无线传输参数、协同移动性技术手段, 协同能效优化手段, 协同接入控制优化等, 考虑在不同系统环境下的协同网络故障排查和定位, 达到自愈合功能。

5G利用超密集的异构网络节点形式部署, 覆盖范围内分布多个低功率节点, 和很多还未筹划的节点, 所以从网络拓扑结构、场景、负载布局、部署形式、移动性方面都要展现同之前无线网络存在的差异, 运营商面临的难题是处理好网络节点的智能配置以及自动维护。比如邻区节点之间因为低功率节点的随机分布复杂程度超过目前的网络结构,大力发展随机部署、高密集度网络场景，可以自动调节邻区关系技术, 实现网络节点随时可用自配置；还因为存在多种干扰源的关系, 干扰源出现随机、广泛变化的现象是由于用户移动性、存在低功率节点开启和关闭状态都是随机的, 增加了干扰协调技术的难度；再加上业务本身的不确定性，网络部署要适应这些动态改变,因此,要从网络动态部署进行技术优化, 从小站优化动态与半静态模式、在无线资源分配上，确保移动性, 要经过双连接等方式防止精彩更换和对切换目标小区做优化;无线回传网络的构造十分繁杂, 庞大的规模, 要求自组织网络功能智能化回传网络水平高。

1.1.3 关于SDN 技术

SDN，是指软件定义网络技术。与传统因特网相比，具有控制功能更加难操作等特点，用软件定义网络技术涉及到的设备简单，便于操作，采用中心控制器优化网络协同以及给无线资源的管理带来便利。之前的网络结构，在信号的处理和转上都是集成的，通过一个路由器进行控制，并且是路径是封闭的，不能在其他地点发生转换，信息在控制方面要求高，整个控制过程复杂，消耗大量资源。但是新型的软件定义无线网络技术能克服这些弊端，实现路由在单一设备单独划分出来，做到控制、转换的分离，进行统一控制处理。整个控制系统将变得灵活、成本降低、效率提高。但网络结构还面临切换技术、状态、监控报告和资源配置等难题，随着 5G 移动通信在日后的广泛运用中将进一步进行探索改进。

1.2 无线传输技术

1.2.1 大规模MIMO 技术

目前多种无线通信系统运用了多天线技术来增加系统频谱效率以及传输可靠性。特别在当发射天线以及接收天线用量非常大时，MIMO 信道容量出现线性增长的状态。因此，要大幅度提高系统的容量可以使用多天线当做一个有效的途径。但天线受占用空间多、操作复杂等条件约束，当前关于无线通信系统的收发端配置的天线数量不会很多。研究人员很关注大天线数的MIMO 系统的相关技术，例如单个小区环境下，基站配有天线远超过移动台天线的数量。大规模的MIMO 中，基站配置的天线数量很庞大，出现若干个用户会被同一个资源所服务。从在天线配置模式上，可以把天线都集中于一个基站上，造成大规模集中模式的MIMO，也能进行合理分配在多个节点上。值得骄傲的是，对于分布大规模的MIMO，我国学者对于分布式MIMO的研究在国际上始终排名靠前。

对于大规模MIMO 技术的研究重点放在信道模型、容量和传输技术性能把握、预编码技术、信道估计与信号检测技术等环节，但实际存在一些难题：(1)理论建模和实测模型较少，未能得到人们认可的模型；(2)需要使用信道互易性缩减信道状态信息得到开销，传输方案假定为是TDD 系统，用户全是单天线，数量比实际基站天线数量少[6]。依据随用户数量增加，导频数量增加，开销变大，要经过高维矩阵才能算出信号检测和预编码，要求计算能力高且复杂，还根据上下行信道的互易性，对高速移动场景和FDD系统的环境下是很难达到要求的；在进行信道容量及传输方案分析过程中，绝大部分是建立在独立同分布信道的前提下，认为大规模MIMO 的关键难题正是导频污染，分析结果是不全面的，有局限性。因此，要做到深入研究并建立符合实际应用场景的信道模型，可以继承探究大规模MIMO存在的技术优势，对信道容量有何重要影响，建立实际信道模型、导频开销、复杂性。并对频谱效率、功率效率做合理分析, 无线传输的优化方案，多种信道信息获取方法。实现多用户共享空间联合资源调配的技术方法。

1.2.2 FBMC 技术

在5G 系统中，要实现高数据速率的传输，需要占用1 GHz 的带宽。问题在于某些较低的频段，对连续的宽带频谱资源获取途径是很难的，在无线传输系统中可能会存在一些未被使用的频谱资源，可能会出现在电视系统中。然而，空白频谱存在间断，不是连续的，用到的带宽也有所不同，即使采用OFDM 技术也很难使用到这些可用频谱。而5G 系统设计可以巧妙的将这些空白的频谱有效的利用起来。

目前，科研人员寻求其他多载波来解决这些难题。其中，滤波器组的多载波方案在进行对比探究之后被认定是处理以上问题的最合适的方案，滤波器组技术最早源于20世纪70 年代，直到20 世纪80年代普遍受到学者的关注。之后我国学者将其应用在国家863 计划后3G试验系统中，为网络技术的发展起到推进作用。在如今被广泛使用于图像处理、雷达信号处理、通信信号处理等许多领域。

滤波器组中运用的多载波技术，要实现多载波调制可以通过发送端进行合成滤波器组来完成，多载波解调可以经过分析滤波器来实现。合成滤波器组和分析滤波器组是经过并行的部分滤波器组成，每个滤波器都可以经过原型滤波器进行调制技术从而实现调制滤波器功能。但OFDM 技术不同, 在FBMC 中，原型滤波器的冲击响应和频率响应可以进行调整设规定值，各载波也不再为正交，可以不使用循环前缀；对载波带宽设定、各子载波之间相互重叠进行灵活控制，进而能对相邻子载波存在的干扰进行控制，使用零碎的频谱资源；不需要在各子载波内进行同步，信道估计、检测等处理，因为这些都是可以在各自载波上单个解决的，比较不好适合各用户之间存在同步的上行链路[7]。从另一面来看，各载波之间不是正交关系，子载波之间有干扰；可以用非矩形波来识别，出现符号时域干扰，可以采取技术手段来解决干扰。

越来越多的人对5G 系统多载波方案研究感兴趣。在FBMC 技术中，原型滤波器的设计和调制滤波器的设计这两点完全决定了多载波性能，使频率响应特性达到特定的标准，原型滤波器的长度远超过子信道的数量，对技术水平要求高，硬件实现困难，所以，FBMC 技术关键在于要研究滤波器组的快速实现算法。

2 5G移动通信的发展趋势

国内外专家学者的研究热点已经放在5G移动通信这一方面，科技的进步让移动互联网飞速发展，将强有力地推动5G移动通信发展。各类通信业务是以互联网为基础平台的，无线网络的方式更方便客户使用，不受限于有线网络。

目前行业内对5G移动通信还处于研究阶段，但可以在4G网络的基础上做技术更新，这对5G通信的研究有很大的帮助。此外，引进新型结构体系，对整个智能化系统的吞吐能力将扩增到20倍以上。推动5G 移动通信的发展主要靠移动互联网，未来各种新兴业务的平台都是依托移动互联网为基础，目前互联网的各类业务大部分是经过无线网络传输方式向用户输送，对5G 移动通信系统要求严格确保云计算及后台服务得以广泛使用，对传输速度与系统容量的要求更高。与其他无线移动通信技术衔接紧密也是5G 移动通信系统的关键目标，加快移动互联网的发展也提供基础的业务能力。就当前业界的看法，5年内未来无线移动网络业务能力将提高至3 个维度上同步进行[8]：1)由于引进新型无线传输技术资源利用率比4G网络提高9 倍以上；2)经过引入新的体系结构，提高智能化水平从而使整个系统的吞吐率大幅度增加；3)寻找新的频率资源，几年后移动通信的频率资源将扩增到4倍。

总而言之， 5G 移动通信的发展是在 2G、3G、4G移动通信技术的基础上发展而来的，与整个社会的通信网络都有着重要的联系，也将成为目前社会各界重点研究的项目，关注度也是与日俱增，从根本上看必须要进行科技创新，才能适应社会用户的需要。 不仅只有中国重视这一领域的技术发展，放眼看整个世界都紧锣密鼓的进行相关技术的研究，更是整个科学界共同关注的热点。 有了科学技术的发展、为社会提供的更快速的信息服务平台，对 5G 移动通信系统的发展是绝佳的机会，制定相关政策积极鼓励我国的科研人员在技术层面上敢于创新，动员社会各界的大力配合相关工作，5G的实现将指日可待。

3 展望

从移动通信网络的发展趋势来看,预计在2020年后5G 技术被广泛使用。 技术的创新发展能满足将来移动互联网业务急剧增长需求, 用户会有更快的网络体验。目前5G技术仍处于研究探索阶段, 未来几年将是技术的高速发展关键时期，主要集中抓好关键技术突破，其中，要提升5G移动通信系统容量可以进一步加大频谱效率、网络架构改变的更新换代，开发频谱资源与利用高科技术来完成；发展新一代无线移动通信的核心技术。总之，在我国政府的高度重视，以及科技工作者的共同努力下，5G移动通信系统的实现和运用将离我们为期不远。

[1] 李革.我 国 5G 移 动 通 信 的 关 键 技 术 与 发 展 趋 势 [J]. 科 技 传 播 ，2016，01：157-158.

[2] 孔令兵.5G 移动通信发展趋势与若干关键技术 [J]. 通信电源技术，2015(4)：124-125.

[3] 赵新亚，张诗淋.5G 移动通信发展趋势与若干关键技术研究[J].中国新通信，2016，01：56.

[4] 张锋，王明华.5G 移动通信发展现状及其关键技术[J].中国新通信，2016，06：83～84.

[5] 张筵.浅析 5G 移动通信技术及未来发展趋势 [J]. 新聚焦，2014(12)1-3.

[6] 卓业映，陈建民，王锐 .5G 移动通信发展趋势与若干关键技术 [J]. 中国新通信，2015(8)：13-14.

[7] 龙肖虎.5G 移动通信发展趋势及若干关键技术 [J]. 中国科学，2014(2)：551-553.

[8] 彭景乐.5G 移动通信发展趋势及若干关键技术的探讨 [J]. 新观察，201(7)：51-52.

责任编辑：刘海涛

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1673-1794(2017)02-0019-04

康玉文，漳州职业技术学院电子工程系副教授(福建 漳州 363000 )。

2016-07-18