5G通信关键性技术

陈世勇

（北京交通大学，北京 100044）

0 引言

在通信技术快速发展的四十年，通信技术经历了四次变革，从1G网络到4G网络，从最原始的模拟信号传输，到后来更为安全快速的数字信号传输，通信技术在安全性、稳定性、传输速率、信道容量等方面均取得了巨大的提升。当今第五代蜂窝网技术即将到来，首先我们需要明白什么是5G技术。5G只是4G技术的改善与发展吗？还是一种对蜂窝网技术产生颠覆性改变的新技术？这篇文章主要论述5G移动通信技术所包含的关键性技术。

1 5G采用毫米波通信

以往的通信技术中均采用微波进行信号传输，3G和4G网络主要使用1880Hz至2635Hz的频谱范围，因为在3000Hz以下的可用频谱资源中可以提供更好的传播特性。微波具有良好的抗灾能力，自然环境中存在的水灾，风灾，地震等自然灾害对微波信号一般不产生影响。同时微波具有较大的带宽和容量，使其被现存的通信设备广泛采用。随着通信技术的不断发展，微波频段大部分已经被使用，现在可用的微波频段已经成为一种稀缺的资源。虽然微波段的频谱资源变得稀少，但是毫米波段具有丰富的可利用频谱资源，毫米波的一些特性引起了学术界和工业界的“淘金热”。世界各地的公司和研究人员正在研究着毫米波各方面的传输特性。虽然当今人们对毫米波的特性还未完全了解，但是毫米波在短程服务中已经实现了标准化。5G通信技术将使用频谱范围从30GHz到300GHz的毫米波频段，并且这些可用频谱资源大约是3G/4G网络的200倍以上[1]。从通信原理的角度来看，无线通信的最大信号带宽取决于载波频率，载波频率越高，可以使用的信号带宽就越大。在5G通信技术中，信号将会拥有更大的带宽。在毫米波中，28GHz和60GHz附近的频谱是承载5G网络信号的两个最合适的频带。而且28GHz附近的可用频谱带宽可以达到1GHz，而接近60GHz的可用信号带宽可以达到2GHz，因此可以承载5G网络信号的总频谱带宽大约为3GHz。对于4GlTE网络，其最高载频带宽约为2GHz，因此其可用频谱带宽仅为100MHz。对比毫米波和微波可用信号带宽，5G带宽可以增加十倍左右，当需要传输的信息量确定时，更宽的频谱带宽使5G信号的传输速度几乎比4G网络快十倍。从理论上讲，信号传输时间将会大幅度减少，在实际生活和工程应用中4G网络的延迟约为10～20ms，而5G网络的延迟仅为1～4ms。低延迟使实时传输和终端实时响应成为可能，这对于工业自动化的发展至关重要。

2 5G大规模MIMO技术

大规模MIMI技术是5G技术中的一项重要的核心技术，他可以充分利用空间资源，提高通信质量。MIMO技术是指在发射端和接收端设置多个发射天线和接受天线的技术，使信号在多个信号发射装置和接受装置之间进行传输，通过这种信号多收多发的形式，可以在不增加频谱资源和天线发射功率的前提下，成倍地提高信道容量和接受端天线功率，以改善通信质量[2]。大规模MIMO技术并不是一项新生技术，他是从MIMO技术中扩展和延伸过来的。MIMO技术在在4G网络时代已经被广泛应用，只不过当时的规模远小于5G天线规模。在4G中使用的MIMO技术最多使用8个天线，而在5G通信技术中波束赋形通过数十到数百根天线实现单用户和多用户的空分复用，可以有效提升频谱效率5～10倍，是5G通信的核心技术[3]。大规模MIMO技术又称为大规模天线阵列，通过大规模天线阵列实现波束赋形。波束赋形技术是一种可以根据特定场景自适应的调整天线整列°的辐射图的技术。在以往的通信技术中使用单天线的通信方式，基站到移动设备之间的通信只能依靠单天线到单天线的电磁波通信，在这种情况下，天线的辐射方位不可以自适应调节，就会导致天线辐射方位角固定不变，进而使频带可服务的用户数受到限制。在大规模MIMO技术中，天线阵列可以自适应调整每个天线发射信号的相位。通过这种方式在移动接收端形成电磁波的有效叠加，可以产生更强的信号增益来克服损耗，从而达到改善通信质量的目的。

3 5G M2M通信技术

在5G通信技术中，信道带宽增宽，信号传输延迟降低，以及信道容量扩大，这些特性使机器对机器的及时通信得以实现。M2M，是Machine-to-Machine的缩写，即机器对机器通信技术的简称，通过在传统机器上安装传感器，信息处理装置，传输装置等来赋予机器收集信息处理信息和交流信息的能力，赋予机器智能的属性，从而实现机器与机器之间的信息交流。M2M技术主要是以设备通信为中心，当前市场上应用的M2M技术主要有，移动物流管理，移动支付，移动监控等新兴技术。M2M的本质是机器与机器之间的数据互通，实现机器与机器的信息互通就需要通信领域内多方面技术配合。首先需要M2M硬件也就是智能化机器，这些机器需要具备信息感知，信息加工和信息传输的能力。实现信息互通离不开通信网络，通信网络是M2M通信框架的核心，在5G时代通信网络覆盖范围将会更广，传播速度将会更快。5G通信网络将会进一步促进通信网络的发展。同时实现数据互通还需要中间件，实现不同协议之间的转换，在IT系统与通信网络之间建立桥梁。在5G技术的支持下M2M技术将会将会得到更快速的发展，在生活中的各个领域中得到广泛应用。

4 结束语

这篇文章主要简绍了5G通信技术中所涉及的关键技术，首先是5G信号采用毫米波通信，由于毫米波的一些特性使得5G通信网络的带宽和传播延迟等信号传播特性均得到根本性改善。然后简绍了大规模MIMO技术，通过天线阵列的自适应技术，使接收端可以获得更大的信号增益，从而改善通信质量。在5G网络低延时，大容量的特性支持下，M2M技术将会得到快速的发展，在交通，电力，智能家居等领域得到广泛应用。5G通信技术的发展将会在工业界和人们生活中引起巨大的改变。