5G移动通信关键技术分析

彭正方

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引 言

5G是第五代移动通信技术的简称，具有数据速率高、延迟低以及容量大等特点，是现阶段通信行业发展的重点内容。目前5G技术产业化已经取得了初步成果，是我国新一代信息基础建设的重要组成部分[1]。

1 5G移动通信概述

5G是近年来移动通信领域的研究热点，它将24 GHz以上频段的毫米波运用于移动宽带通信，实现了更大容量且更多频谱的新型部署场景[2]。

自2013年起，欧盟开始斥巨资研发5G相关技术。紧随其后，韩国SUMSUNG公司宣布已成功攻克5G关键技术，利用64天线单元自适应阵列，在28 GHz频段实现1Gb/s数据传输，通信速率比4G LTE快了近100倍。此后，各国均在持续跟进5G研究，并逐步推进公众测试与商用[3]。

国内5G研究方面，2009年华为就开始了相关研究。2016年工信部明确提出5G将是未来新一代通信技术的主要发展方向。2018年华为与沃达丰公司合作完成第一个5G通话测试，同年发布了首款5G商用芯片巴龙5G01及终端设备。据工业和信息化部新发布的统计数据，我国已建成全球最大5G网络，截至2020年底，开通5G基站数量超过71.8万个。此外，5G终端市场也在快速跟进，2020年1～11月国内5G手机累计出货已经达到了1.44亿部，上市5G机型199款。

2 5G移动通信发展驱动力与关键技术

2.1 5G移动通信发展驱动力

5G移动通信发展的驱动力主要有两种，一是4G技术的全面商用；二是移动数据需求呈爆炸性增长态势，亟需开始5G技术研究。基于移动通信网络的发展和移动数据流量的暴涨，网络能耗、比特成本以及频谱需求将进一步增加，而可用频谱呈大跨度和碎片化的特点，难以实现频谱高效利用。为解决上述挑战，亟需发展新一代5G移动通信技术[4]。

2.2 5G移动通信关键技术

目前5G技术的发展路线主要分为演进型和革命型。演进型是在LTE系统的基础上考虑后向兼容，引入增强型技术，增大系统容量，主要技术包括小型化基站相关技术。革命型是指5G网络架构全面创新，采用新型网络拓扑和接入网架构，核心网引入软件定义网络、网络功能虚拟化以及移动内容分发网络等[5,6]。5G通信概念模型如图1所示。

2.2.1 超密集异构网络部署

从2G到3G、4G，蜂窝小区的半径呈持续缩小态势，小区密度增加，由此实现网络容量的快速增大。基于5G技术构建超密集蜂窝，可带来数十倍的网络容量增益[7]。

5G网络架构中移动蜂窝式转向分布式与异构式，如图2所示。密集异构网络支持用户自定义部署，采用封闭式接入方式，使传输功率出现差异化，在通信传输过程中易受到干扰，对此需合理选择干扰管理和抑制措施。针对干扰问题，目前国内主要采取两小区协作处理方法。基于5G网络的发展，未来会出现“多网并存”的情况，层间与层内干扰更为复杂，通信干扰的消除直接关系到通信资源的利用率。

图2 超密集LET-B背景下异构网络部署

2.2.2 D2D通信技术

D2D通信技术是指两个对等的用户节点直接进行通信的一种通信方式。由D2D通信用户组成的分布式网络中，每个用户节点都能发送或接收信号。网络的参与者共享拥有的部分硬件资源，这些共享资源可以被其他用户直接访问，不需要经过中间实体。蜂窝系统覆盖范围小、信息容量低、功耗大且组网灵活性较差。通过运用D2D通信技术，可对现有蜂窝通信进行补充，增大无线数据流量，提高通信稳定性。在完成场景标准化布置后，还需解决蜂窝通信与D2D通信的资源共享问题等。

2.2.3 MIMO通信系统

MIMO主要利用发送端和接收端之间的多天线形成通信链路，其无线信道自由度大，可容纳更多的通信数据。在带宽和总发送功率相同的情况下，MIMO可增大系统吞吐量，延长通信距离。基于5G技术的发展，MIMO技术得到延伸，在基站侧设置大规模天线阵列，基于空分多址原理向用户提供信息通道，从而保障用户通信的安全性与稳定性。

2.2.4 绿色通信技术

5G通信中智能化技术的应用可在保证用户体验的同时，实现异构网络的节能部署。根据工信部相关信息，预计到2025年，累计新建5G宏基站数量约为435万座，年耗电量为1 134亿千瓦时。基于此，5G通信技术未来的发展需以节能为重点，减小基站能耗，动态调整资源与传输功率，调节服务区内用户量，同时优化网络部署与拓扑结构。

3 5G移动通信未来发展趋势

近年来，我国在5G技术方面的研究不断深入，且取得了不少成果，未来几年将实现5G全面覆盖。为全面推广应用5G技术，还需进一步加强基础设施建设，解决实际问题，获得最佳使用效果[8]。5G移动通信未来发展趋势主要包括3个方面。

一是覆盖范围扩大。明确5G移动通信基础设施严重缺失的地区，并采取相应的密闭措施为5G技术推广提供可靠支撑，保证5G移动通信传输的稳定性和安全性。2021年预计再建130万个5G基站，基站总数超200万，覆盖部分重点乡镇。

二是落实5G商用，包括5G+超高清4K/8K视频、车联网、智能电网、VR/AR以及智慧城市等[9,10]。其中，5G+超高清4K/8K视频是目前最明确的发展方向，预计2022年高清视频市场规模超2.5万亿元。此外，工业互联网将成为5G最大行业应用场景，5G+摄像头、AGV、移动巡检、工控机以及无人机等有望成为新商机。

三是各种5G终端产品的研发。2021年全球5G手机出货量预计超过5亿部，以5G智能手机为运算主力的便携式VR眼镜等产品将掀起终端跨领域整合热潮。

4 结 论

综上所述，基于4G LTE技术在全球商用的成功展开以及移动数据的爆发式增长，5G技术研发与使用已处于全面推进阶段。5G实现移动通信系统的平滑演进，既继承了4G中成熟的关键技术，又采用大量改进的新技术，具有大流量密度、海量连接数、低时延以及低能耗等优势，可满足增强型移动宽带、大规模机器间通信以及低时延通信等应用场景的需求。