5G移动网络前沿技术与发展前景

王 准

广州工商学院，广东 广州 510850

5G移动网络前沿技术与发展前景

王 准

广州工商学院，广东 广州 510850

2017年9月，德国电信正式宣布联合中国华为公司推出全球首个5G商用网络，这也意味着5G网络技术在全球第一个政府和企业推广。5G即第五代移动通信系统，其技术正处在飞速发展阶段，在全球各科研机构和高校得到了广泛研究。基于此，对5G网络前沿技术和未来发展前景进行了综述。

5G；前沿技术；发展前景

1 5G网络概述

世界通信技术先后经历了1G、2G、3G、4G几个重要时代，其特点如表1所示。在5G时代，移动网络传输速率将是4G峰值的100倍，意味着一部高品质的电影1秒钟就能够完成下载。同时，5G网络的功耗要比4G低，从而推动新的无线产品的诞生。在5G时代，用户可以无缝、平滑地在任意空间过渡，省去了频繁切换网络和密码输入的麻烦，Wi-Fi很可能“消失”，同时万物可以实现真正互联，移动技术的优势将向全新行业扩展，并创造出全新的商业模式。未来，每一件物体都有传感器，利用5G实现数据交互，手机、人、机器、交通工具、家居用品甚至花草树木等等都有独立的IP，万物皆可控、可交流、可定位，彼此协同工作，超越了时间和空间上的限制。

2 5G网络关键技术

2.1 大规模MIMO技术

大规模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术，顾名思义就是将传统MIMO的天线数增加。现有文献的仿真大多采用100～256根天线，现有的原型机一般采用128根天线。关于天线数目增加后系统性能的讨论其实很早有了。直到 2010 年底，贝尔实验室的T. L. Marzetta在《无线通信》中提出了大规模多天线的理论。大规模MIMO技术由一些低功耗且价格并不昂贵的天线组件来实现，这就为在高频段上的移动通信提供了广阔的前景[1]。同时它扩大了网络覆盖范围、扩展了系统容量，大大提升了无线频谱效率，帮助运营商最大限度地利用已有的站址资源和频谱资源。

表1 各移动通信技术特点

大规模MIMO技术为5G 系统带来了一系列优点。相比于传统的MIMO系统，大规模MIMO系统极大地提升了空间分辨率。大规模MIMO技术实现空间资源的深度挖掘，即使在没有基站分裂的条件下。相比于单一天线系统，大规模MIMO技术能够通过空域、时域、频域、极化域等不同的维度提升能量利用效率和频谱利用效率[2]。因此，大规模MIMO技术被认为是一种可以同时提升速率和系统容量，且能减少传输时延和能量消耗的可行性关键技术。在现今的实验网络中，常规的MIMO技术在日益增长的通信需求下将不再适应。5G大规模多天线技术方案将极大地增加基站天线数目，潜在大规模范围阵列会达到 100×100甚至更大。

2.2 超密度异构网络（Ultra-dense HeNets）

网络中立体分层网络（HetNet）是指，在宏蜂窝网络层中布放大量微蜂窝（Microcell）、微微蜂窝（Picocell）、毫微微蜂窝（Femtocell）等接入点，来满足数据容量增长要求。随着5G时代的到来，万物接入网络，大大增加了HetNet的密度。

2020 年以后，移动数据流量将呈现爆炸式增长。未来 5G 网络将减小小区半径和增加低功率节点数量来保证 1 000 倍流量增长带来的压力。所以，超密集异构网络将成为未来 5G 网络提高数据流量的关键技术。密集部署的网络使终端与节点间的距离大大拉近、网络频谱效率和功率大幅提高、网络覆盖范围和系统容量扩大、不同接入技术和覆盖层间的灵活性增强。

2.3 毫米波

毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波，其工作在30～300 GHz之间。无线通信的最大信号带宽约为载波频率的5%左右，因此越高的载波频率，可提供越大的信号带宽。在毫米波频段中，5G网络可使用28 GHz频段和60 GHz两个频段。28 GHz频段可达1 GHz的可用频谱带宽，而60 GHz频段每个信道的可用信号带宽则到了2 GHz，同时可分4个信道。相对来说，4G-LTE频段只有2 GHz左右的最高频率的载波，且频谱带宽只有100 MHz可用。因此，使用毫米波频段可以轻松获得10倍以上的频谱带宽，大大提高了传输速率。使用毫米波频段使得手机在线观看蓝光品质电影变得更加轻松。

毫米波技术不太适合在室外手机终端和基站距离很远的场合使用，因其在空气中衰减非常大[3]。各大厂商对5G频段使用的规划是在户外开阔地带使用较传统的6 GHz以下频段以保证信号覆盖率，而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据传输，如图2所示，毫米波必须配合微型基站使用。

2.4 多址接入

多址技术是每一代移动通信技术的关键特点之一。5G网络除了对传统的 OFDMA 技术支持外，还将提供对SCMA、NOMA、PDMA、MUSA 等多种新型多址技术的支持。这些多址技术通过多用户的叠加传输，不但使用户连接数得到提升，还有效增强了系统频谱效率，同时还可以使系统时延大幅度降低。

图2 毫米波工作示意图

非正交多址接入技术（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）利用3G时代的非正交多用户复用原理，并将之融合于现在的4G OFDM技术之中。非正交多址接入（NOMA）是基于功率域复用的新型多址方案，它增加了接收端的复杂度，来换取更高的频谱效率。随着未来设备计算能力的大幅度提升，该方案也具有相当的可行性。

3 5G网络发展前景

面向 2020 年及以后，随着超高清视频、物联网、增强现实、云计算、在线手游等业务的发展，未来的5G 网络将提供比现有网络高10倍以上的无线接入宽带。在高铁、飞机、公交等高速移动交通工具中，5G 网络将提供比现有网络更加稳定的移动性支持。5G网络应能支持更低功耗，在智慧城市、智慧农业、环境监测等低功耗场合，成为绿色环保的移动通信网络；在车联网、虚拟现实、工业控制、可穿戴设备等低时延高可靠场合，成为高可靠性的移动通信网络。

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

[2]尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学：信息科学，2014，44（5）：551-563.

[3]张平，陶运铮，张治.5G若干关键技术评述[J].通信学报，2016，37（7）：15-29.

Frontier Technology and Development Prospect of 5G Mobile Network

Wang Zhun
Guangzhou Business College, Guangdong Guangzhou 510850

In September 2017, Deutsche Telekom officially announced that the joint Chinese HUAWEI company launched world’s first 5G commercial network. It also means that 5G network technology is the first government and enterprise promotion in the world. 5G is the fifth generation mobile communication system, and its technology is in the stage of rapid development, and its technology has been widely studied in the global scientific research institutions and colleges and universities. In this paper, the 5G network frontier technology and future prospects are reviewed.

5G; frontier technology; development prospect

TN929.5

A

1009-6434（2017）7-0029-02

王准（1983—），男，湖南长沙人，讲师，网络工程师，研究方向为云计算、网络安全等。

2017年度广州工商学院校级创新创业教育课程和应用型人才培养课程立项建设项目：楼宇智能化与综合布线（NO.CX20170510）；2016年度广州工商学院校级本科“质量工程”立项建设项目：基于校企协同育人的网络工程专业应用型人才培养模式改革与创新（NO.ZL20161212）。