5G 的关键技术分析和典型场景应用

周芳梅

（广东南方电信规划咨询设计院有限公司，广东 深圳 518038）

1 概述

如果说，第四代移动通信网络（4G）一定程度上实现了数据、音频、视频的快速传输，那么第五代移动通信网络（5G）则具有更高速率、更大容量、更低时延的通信技术，比目前的4G 至少快十倍以上，被誉为“数字经济新引擎”。5G 作为新基建之首，将不仅是一项移动通信技术，更是下一轮技术革命的重要转折点，影响着人类的进步与社会的发展。

2 5G 的关键技术分析

2.1 非正交多址接入技术

从1G 到4G，多址技术发展出多种形式，包括FDMA、TDMA、DS-CDMA、OFDM 等。当接入用户增多时，这些技术为了让不同用户信号能被完整区分出来，会保持信号之间的正交性或准正交，因此可以统称为正交多址技术。而对于5G，由于频谱效率相较于4G 将提升数十倍，故需要采用具有更好过载性能的非正交多址接入技术（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）。

目前，直接序列码分多址（Direct Sequence CDMA，DS-CDMA）是3G 系统采用的技术，正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是4G 系统采用的技术，但基本都在频域、时域和码域上实现多用户复用。不同于3G、4G，NOMA 则增加了功率域这一维度，在发送端采用非正交发送，再在接收端通过串行干扰删除技术调解和消除多址干扰，以此区分出不同用户的信号，再结合功率复用技术实现多用户复用。

NOMA 使得信号的增益大幅提高，让移动用户在同一覆盖区域获得最大的带宽接入，这使5G 大规模连接带来的问题得到解决，且NOMA 不需要知道每个信道的CSI（信道状态信息）。对于高速移动场景同样适用。但由于NOMA 主要是利用复杂的接收机设计来换取更高的频谱效率，如何设计出低复杂度且有效的接收机算法将是未来技术实现的难点。

2.2 滤波器组多载波技术

滤波器组多载波技术（Filter-bank multicarrier，FBMC），属于频分复用技术，具有较强的抗多径干扰能力。FBMC 解决了OFDM 需要引入CP 循环前缀（Cycle Prefix）的问题，由于循环前缀比时延扩展还长，频率效率会大打折扣。为了消除符号间干扰（ISI）和载波间干扰（ICI），FBMC 不是采用循环前缀，而是通过一组优化的滤波器组代替矩形窗函数，对频偏引起的载波间干扰非常小，大大提高了频率效率。

FBMC 核心思想是，不引入额外的时间开销以保持符号持续时间不变，在发送及接收端添加额外的滤波器组，FBMC 的多载波性能，取决于原型滤波器及调制滤波器的设计。

尽管FBMC 实现很杂度相对较高，但是通信技术的不断发展及随着硬件处理能力的不断提高，FBMC 的实际应用将不是问题。

2.3 大规模MIMO 技术

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术，是使用多个发射天线和接收天线在发射端和接收端，使用多个天线传送和接收信号，充分利用现有资源改善通信质量，不增加频谱资源和发射功率天线数量越多，通信质量越好。

大规模MIMO（即Large scale MIMO，亦称为Massive MIMO）技术由此诞生，天线通道数可高达64、128甚至256个，成倍的提升了无线频谱效率，增强了网络覆盖能力和系统容量。大规模MIMO 不像传统的MIMO 那样，信号只能水平方向平面发射移动，而是电磁波束的辐射状，既可以水平方向移动，也可以在垂直方向进行移动，大幅提高网络容量。

大规模MIMO 的应用，为稠密地区多用户、多设备同时进行高可靠传输通信提供了可能，也为实现在高频段上进行移动通信提供了广阔的前景。

2.4 超密集异构网络

5G 网络要支撑起每平方公里百万数量级的设备，需要高密度的小基站部署。但高密度的接入节点，加上不同终端连接的频率、速率、功耗不同，将会产生严重的系统干扰问题。

超密集异构网络，融合了多种无线接入技术，有别于传统的组网模式，主要使用宏微异构的组网架构来部署，充分利用宏站的大功率覆盖和低功率小型化基站的灵活多变，通过灵活增加站点部署密度来减少节点间的距离，减小小区半径，使5G 网络的网络吞吐量、功率效率、频谱效率都得到大幅提升。

随着超密集异构网络部署的密度增大，形状不规则的小区边界数量将随之剧增，移动用户可能会面临频繁切换网络的问题。为了满足未来用户爆炸性的移动业务需求，需要不断的完善网络的切换算法。

2.5 毫米波

毫米波，是一种频率为30～300GHz 的电磁波，波长范围为1～10毫米。毫米波由于其频带宽、波长短、波束窄、灵活可控等特点，可为5G 移动通信提供极致的数据传输速度和容量，带来前所未有的移动体验。毫米波与大规模MIMO 技术的完美结合，使得5G 天线变得更小型，便于5G 的大规模部署。

但毫米波信号的路径损耗非常大，甚至无法穿透墙体，受雨、雪、冰雹等恶劣天气的影响也尤为显著，在5G 中的实际应用将是一个极大的挑战。

3 5G 的应用场景分析

3.1 超高可靠低时延通信

超高可靠低时延通信（Ultra Reliable &Low Latency Communication，uRLLC），是蜂窝通信的特殊用例，目标是使其特性和网络功能能够在极端的可靠性标准下运行，并且使关键基础设施和计算机之间的往返延迟小于1毫秒。

主要应用场景包括能源管理、工业互联及自动化、无人自动驾驶、无人机控制、机器人、远程手术等，要求具有极低时延和超高可靠性。

3.2 增强型移动宽带

增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB），具备更大的吞吐量和更低的延时，满足更多终端和更大量数据的传输需求，追求人与人之间极致的通信体验。

主要应用场景包括超高清视频直播、高清视频会议、高清在线游戏、VR/AR 虚拟现实、云存取、高速移动上网等大流量移动宽带业务，在大带宽、低时延需求上具有一定优势，是三大场景最先实现商用的部分。

3.3 大规模物联网

大规模物联网（Massive Machine Type Communication，mMTC），侧重于人与物之间的信息交互。与eMBB 不同，mMTC 追求的不是高速率，而是低功耗和低成本，需要满足每平方公里内100万个终端设备之间的通信需求，发送较低的数据且对传输资料延迟有较低需求。

主要应用场景包括智能电网、智能物流、智能家居、交通管控、可穿戴设备、车联网等，要求提供多连接的承载通道。

4 结束语

5G 移动通信是通往未来高速连接、万物互联的金钥匙，技术较为复杂，本文着重论述了几种关键技术，如非正交多址接入技术、滤波器组多载波技术、大规模MIMO 技术、超密度异构网络和毫米波等，并简单阐述了5G 的三大应用场景，即超高可靠低时延通信、增强移动宽带和大规模物联网。随着5G移动业务的快速增长，5G 的关键技术也将不断发展和完善，将在未来万物互联的各场景应用中，带来新的突破，孕育新的创造力，也将进一步把数字生活“嵌入”人类衣食住行的方方面面，引领新一场的互联网商业模式大变革。