浅析5G移动通信系统

摘 要：第五代移动通信网络在移动数据爆炸式增长的背景下应运而生。目前，5G的发展需求已经明确，下一步发展和研究的重点将在如何利用现有技术和潜在的多种新技术融合以实现5G网络。关于5G的六大关键技术，高频段传输技术，大规模MIMO技术，NOMA技术（非正交多址接入技术），D2D通信技术，超密度异构网络，情感认知技术，浅析了每种技术的基本概念，以及应用到5G网络时的潜在问题。

关键词：5G 发展趋势 关键技术

美国时间2016年11月，在刚刚结束的第三届世界互联网大会上，中国华为公司的Polar Code（极化码）被确定为5G控制信道编码方案。极化码的被认可标志着中国在移动通信领域从追赶到引领的突破，也提示着触手可及的5G时代将普及在不远的将来。5G时代的到来可以说是移动通信发展的必然，也是3G、4G技术发展下的一种演进，在信息化的大潮流中能够拔得5G通信的头筹，必然会有更高、更快的发展。据外媒的最新消息，美国AT&T将在今年部署5G网络，部分地区实现1Gbps的网速。

1、5G是什么？

我们能感受到的5G，是更快的速率。如果将4G网络的数据传输速率比作慢吞吞行走的乌龟，那么5G就是跳跃的兔子了。4G已被誉为机器之间的“高速对话”传输信息的速率高达100Mbps以上，能够实现高速传递文件，图片和视频。而5G作为移动通信技术新的发展方向，将拥有更高的网速及带宽，预计将达到4G传输速率的10倍左右。

IMT-2020（5G）的技术要求：

-用户体验速率达1-10Gbps（非理论速率）

-1毫秒级的端到端时延

-1000倍带宽（每单位区域）

-10-100倍设备连接数量

-99.999%有效性（用户感知）

-100%覆盖（用户感知）

-减少90%网络能耗

-低能耗机对机通信设备电池寿命可达10年

5G通信具有高速性和先进性。5G网络可以在1平方千米内为超过100万台的物联网设备提供100Mbps以上的平均数据传输速率，将为用户带来更高的安全性和更短的时延，并且在人工智能服务、智慧城市以及工业自动化方面会有更大的突破。5G的普及，将成为连接万物的重要渠道，实现全方位、多视野、智能化、多元化通信，给用户带来耳目一新的感受，就好比虚拟现实、云端办公、智能家居、移动终端等等。

任何一个新的突破都是技术的创新、实现和发展带来的，5G虽然可以称作是3G、4G网络的一种演进，但实现它们的技术原理和部署方法都是不同的。因此，5G网络也可以称作是一种全新的技术。我国成立IMT-2020（5G）推进组将研发5G的过程分为5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证三个阶段，用于商用和产品研发预计在2018年到2020年进行，但5G与各个领域的渗透和深度融合是不言而喻的。

2、5G通信中用到的关键技术

2.1 高频段传输技术

为了满足5G网络的大容量和高传输速率，增加带宽是最有效最直接的办法。现代通信技术发展现状下，60GHz以下的频谱资源拥挤，而高频段6GHz以上频谱资源丰富，因此高频段传输技术成为5G通信的必然选择。

2.2 毫米波通信——开发高频段

毫米波（mmWave），频率30—300GHz，波长1—10mm。可用频带资源广，提供较高的带宽，且波束集中，方向性好，可连接大量的设备，提高能效。据预测，未来毫米波通信的传输速率可高于光纤通信。

2.3 大规模MIMO技术

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术已经广泛应用于移动通信和无线通信等领域。通常解释为为网络资源经过多重切割，由多重天线进行同步传送，可以提高信道容量，传输效率和信道可靠性。在移动通信领域仍面临很多的挑战，由于移动终端设备都具有体积小、重量轻和耗电低等特点，并且当移动台移动速度过快时，使得快速信道估计成为研究的主要内容。但MIMO技术适用于传统蜂窝移动通信区以及高用户密度区，为高频段移动通信技术提供了广阔的前景。大规模MIMO技术（3D-MIMO技术）在原有的技术基础上增加了垂直维度，使得波束实现空间复用和空间分集，避免了波束之间的相互干扰。

2.4 NOMA技术（非正交多址接入技术）

第四代移动通信网络（4G）采用正交频分多址（OFDM）技术，和MIMO技术相结合，不但克服了多径干扰的问题，而且使其数据速率高达20Mbps甚至100Mbps。而面向5G将高于4G传输速率10倍左右的需求，利用功率复用的多址接入技术，即非正交多址接入技术，有更加明显的性能优势。功率复用的目的是利用每个用户不同的路径损耗差异实现多用户复用。目前NOMA技术已经被研究证实可以使无线接入宏蜂窝区域的总吞吐量提高50%左右。

同时，NOMA技术还具有不需知道每个信道SCI的优点，这使得它可以满足即使在移动台高速移动的状态下，仍然能获得更好的性能。实现NOMA技术需要在接受端引入串行干扰删除（SIC）实现功率复用时的多用户检测，对每个用户进行判决，逐级消除多址干扰。

2.5 D2D通信技术

D2D通信技术是指在蜂窝系统下能够实现两个对等用户节点近距离直接传送数据的一种通信方式。5G网络的发展方向，不仅要求数据传送速率快，信道容量大，更加丰富的终端用户体验，也将成为5G发展的主要趋势。因此，设备到设备通信（D2D）将成为5G的关键技术之一。

D2D通信在传送数据时，具有不借助基站自动路由（转发消息）的功能，这样能很大地降低基站负担，缩小传输时延，从而提高频谱效率，减小终端的发射功率。但D2D在带来多方面的好处的同时，技术问题上仍存在着很大的挑战。比如当终端用户之间的距离不能保证近距离通信时，如何进行蜂窝通信技术和D2D通信技术的最优选择问题是值得考虑和解决的。

2.6 超密度异构网络

为了满足5G网络数据容量大幅增长的需求，立体分层网络（Hetnet）的密度只会大量增加，才能使更多的物与物连入网络。5G蜂窝网络的前期工作已经给出了“三朵云”网络架构，超密度异构网络能够实现对于网络覆盖和网络容量的单独化和优化设计，实现由于业务需求的灵活性控制承载分离，从而扩展控制面板和数据面的资源。并且，超密度异构网络对基站无线控制功能部分实现抽离和分簇化的集中式管理，从而使簇内的小区间干扰得以协调，提高网络容量，给用户带来更丰富的业务体验。

2.7 情感认知技术

未来5G的发展趋势，将不仅仅承载着人与人的连接，人与物、物与物的连接同样是现代移动通信技术5G个性化，智能化的发展方向。及时化，个性化，前瞻性和适应性是情感认知技术的最大特点，通过移动设备的分析和推理，自动为用户提供可靠适合的选择。情感认知技术将积极响应现代移动通信的智能化业务需求。

3、结束语

5G的诞生将满足现代社会对高质量高速率生活的需求，也将成为继3G，4G后的又一次革命性创新，实现全方位、多视野、智能化、多元化通信。本文浅析了新一代移动通信5G的发展趋势和无线网络方面的六大关键技术。5G通信的高频段资源占用方面和情感认知智能化自感知能力的深入研究将成为5G网络不可或缺的特性之一。

参考文献：

[1]赵国锋等.5G移动通信网络关键技术综述[J].重庆邮电大学大学学报，2015年，27（4）：441-452

[2]宏光通信.解读5G八大关键技术[EB/OL].

http：// gh_7095818ff0ea.html，2016年9月2日/2016年10月3日

作者簡介：

刘佳彤（1995—12月—08日）女，汉族，河南南阳人，郑州大学信息工程学院，2014级本科生，电子信息工程专业。