5G移动通信的关键技术及发展

魏蓓蓓

摘要：第5代移动通信系统（5G）是面向2020年之后的新一代移动通信系统，其技术发展尚处于探索阶段.结合国内外移动通信发展的最新趋势，本文对5G移动通信发展的基本需求、技术特点与可能发展途径进行了展望，并分无线传输和无线网络两个部分，重点论述了富有发展前景的7项5G移动通信关键技术，包括大规模天线阵列、基于滤波器组的多载波技术、全双工复用、超密集网络、自组织网络、软件定义网络及内容分发网络.本文还概括性地介绍了国内5G移动通信的相关研发活动及其近期发展目标.

关键词：5G关键技术；发展趋势

1概述与总体趋势

5G是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统.根据移动通信的发展规律，5G将具有超高的频谱利用率和能效，在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高一个量级或更高，其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高.5G移动通信将与其他无线移动通信技术密切结合，构成新一代无所不在的移动信息网络，满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求.5G移动通信系统的应用领域也将进一步扩展，对海量传感设备及机器与机器（M2M）通信的支撑能力将成为系统设计的重要指标之一.未来5G系统还须具备充分的灵活性，具有网络自感知、自调整等智能化能力，以应对未来移动信息社会难以预计的快速变化。

5G已经成为国内外移动通信领域的研究热点.2013年初欧盟在第7框架计划启动了面向5G研发的METIS（mobileandwirelesscommunicationsenablersforthe2020informationsociety）项目，由包括我国华为公司等29个参加方共同承担；韩国和中国分别成立了5G技术论坛和IMT-2020（5G）推进组，我国863计划也分别于2013年6月和2014年3月启动了5G重大项目一期和二期研发课题.目前，世界各国正就5G的发展愿景、应用需求、候选频段、关键技术指标及使能技术进行广泛的研讨，力求在2015年世界无线电大会前后达成共识，并于2016年后启动有关标准化进程。移动互联网的蓬勃发展是5G移动通信的主要驱动力.移动互联网将是未来各种新兴业务的基础性业务平台，现有固定互联网的各种业务将越来越多地通过无线方式提供给用户，云计算及后台服务的广泛应用将对5G移动通信系统提出更高的传输质量与系统容量要求.5G移动通信系统的主要发展目标将是与其他无线移动通信技术密切衔接，为移动互联网的快速发展提供无所不在的基础性业务能力.按照目前业界的初步估计，包括5G在内的未来无线移动网络业务能力的提升将在3个维度上同时进行：通过引入新的无线传输技术将资源利用率在4G的基础上提高10倍以上；通过引入新的体系结构（如超密集小区结构等）和更加深度的智能化能力将整个系统的吞吐率提高25倍左右；进一步挖掘新的频率资源（如高频段、毫米波与可见光等），使未来无线移动通信的频率資源扩展4倍左右。

2、5G移动通信的关键技术

2.1无线传输技术

2.1.1大规模MIMO技术

在无线通信系统中，多天线技术可以显著提高系统频谱和传输可靠性。通过大量的发射和接收天线，MIMO信道的容量可以大量增长。因此，大幅度提高系统容量的有效途径之一就是增加天线的数量。在大规模的MIMO中，大量的天线配制在基站中，同时大量的用户可以被服务于同一时频的资源上。天线的配制方式有两种：大量集中放置于同一基站形成大规模集中式MIMO；分布放置于多个节点中形成大规模分布式MIMO。

2.1.2全双工技术

全双工通信技术是指在同时、同频进行双向通信的技术手段。目前的无线通信系统中，由于网络侧和终端侧中存在着的固有发射信号对接收信号的自干扰，双向线路是通过频率或者时间进行区分，同时、同频进行双向通信技术还不够完善，因此还不能实现同频且同时的双向通信。由此原因所致，现有的通信手段在无线资源上浪费巨大（相当于浪费50%的无线资源）。因此，同频同时的全双工技术是5G移动通信技术的无线传输技术中一个重要的研究方向。全双工通信技术的优点在于可以减少无线资源的浪费，可实现更加灵活的频谱使用。全双工通信技术具有重要的研究意义。

2.2基于滤波器组的多载波技术

5G移动通信系统具有很高的数据速率，其可以达到1GHz的带宽。目前通信系统所使用的OFDM技术虽然在对抗多径衰落、频谱效率方面有一定的优势，但其对于无线传输系统大范围带宽中的一些空白频谱的缺乏应用能力。而基于滤波器组的多载波技术可以有效地解决这一问题。在基于滤波器组的多载波技术中，发送端和接收端对于多载波的调制分别利用合成滤波器组和分析滤波器组。在基于滤波器组的多载波技术特点在于：各个子载波不再固定正交和插入前缀，而且各个子载波之间的干扰也通过控制而大量减少；各个子载波可以进行单独的处理，避免了子载波同步的过程。因此，基于滤波器组的多载波技术是5G移动通信系统实现多载波方案的重要技术方法。

2.3超密集异构网络技术

5G移动通信系统的正式使用不仅会诞生新型的无线传输技术，而且也会带来之前旧的无线传输技术的改善。因此，5G移动通信系统是多种无线接入方式并存的新型通信系统。这些无线接人方式同时存在、同时被利用，便组成了多层覆盖的多无线接人技术多层覆盖异构网络。而对于未来的无线网络，在宏站的覆盖区域内，各种无线传输技术的各类低功率节点的部署密度较现有站点的部署密度会有非常明显的提升（提升数量大约10倍）、站点之间的距离较现有站点的距离会明显的减小（站点距离可以缩短至10米甚至更短）、支持用户的范围明显增加（每平方公里内可以拥有25000个用户），甚至可以达到每一个用户都可以对应拥有一个服务节点，形成超密集異构网络。

结束语

综上所述，在2G、3G以及4G移动通信技术已经取得突破性进步的今天，5G移动通信开始逐步走进人们的视线，其未来的发展趋势和自身的关键技术也成为人们关注的重要内容。相对于之前的2G、3G以及4G移动通信技术，5G移动通信技术在具有传输速率更快、资源利用率更高、无线覆盖率更广以及用户体验性更强等一系列优点。因此，对于5G移动通信的关键技术要进行充分的探索和讨论。