5G移动通信应用与无线关键技术研究

何晶

【摘要】    文章分析了5G移动宽带和移动物联等应用场景的技术特点及性能指标，从无线空口、无线传输、无线网络等方面深入研究，总结了在对应场景下，支持其强大性能的无线关键技术，最后对下一代及未来移动通信的应用场景与无线新技术发展趋势提出展望。

【关键字】    5G    应用场景    关键技术    未来趋势

引言：

移动通信从第一代发展到第五代实现了从模拟到数字、语音到数据、移动互联网到移动物联网的演进。相比上一代移动通信网，5G通过在空口、传输、网络等方面各种关键技术的突破，具有更高的速率、更大的容量、更低的时延，同时安全性、可靠性更高，面向移动宽带和移动物联等应用，满足各类细分业务场景的性能指标要求，构建起人、网、物联通的高速、移动、安全、泛在的新一代信息社会。

一、5G 应用场景与性能指标

1.1增强移动宽带（eMBB）

应用于移动互联网的增强移动宽带（eMBB）将提供更大的系统容量以及更高的无线接入速率，从而满足未来超高清/3D视频以及增强现实、云桌面、在线游戏等应用服务。移动宽带分为广域连续覆盖和局部热点覆盖两种场景，广域连续覆盖场景是移动通信最基本的应用场景，为用户提供无缝的高速业务体验。局部热点覆盖场景主要面向局部热点区域覆盖，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。、

1.2大容量移动物联（ mMTC）

应用于物联网的海量机器类通信mMTC将满足智能电网、智慧农业、智慧城市、共享经济、运动健身等海量物联需求，5G的超大网络容量，具有提供千亿设备的连接能力，使人与机器、机器与机器的通信成为可能，促进了大规模物联网的发展

1.3高性能移动物联（uRLLC）

应用于物联网的超可靠低时延通信uRLLC在车联网、工业精确控制、无人机远程监测、入侵检测、急救人员跟踪等场景发挥巨大作用。5G超高可靠低时延通信，可以实现探测到障碍后的自动驾驶汽车响应速度比人的反应更快，加快了自动驾驶汽车和智慧交通的蓬勃发展。

5G系统各应用场景的性能指标见表1。

二、5G关键技术与实现

5G具有极高的速率和较高的频谱利用率主要依赖5G无线空口、无线传输和无线网络等方面关键技术的支持。

2.1无线空口

灵活的参数配置：相比于4G，5G子载波间隔在15kHz的基础上采用2u扩展（?=0，1，2，3，4），使物理层资源在时域和频域上具有多种不同大小的粒度，可支持多种信道带宽、满足多样的应用和部署需求，另一方面有利于不同参数集波形的共存、实现灵活调度。

5G上下行均可采用CP-OFDM 波形，支持多层传输，从而支持更高的传输速率和资源利用率。

新型信道编码：5G 采用了在性能上接近或“达到”Shannon极限， 且复杂度较低易于实现的新型信道编码方案， 如LDPC（Low Density Parity Code）码和极化码（Polar Code），與4G信道编码相比，具有更高的呑吐率、更低的处理时延。

NOMA：非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access， NOMA）技术在功率域由单用户独占改为多用户共享， 通过发送端功率复用和接收端串行干扰消除（Successive Interference Cancellation， SIC）， 使得系统吞吐量和频谱效率都得到了有效提高。

2.2无线传输

新型调制编码：为达到更高的速率，5G采用更高阶的调制和编码策略（modulation and coding scheme，MCS），根据信道信号与噪声和干扰的比值（SINR），采用链路自适应算法确定最佳调制编码方案，上下行最高支持256QAM调制方式，提高了峰值速率，进一步提升空口频谱效率。

Massive MIMO：大规模天线技术采用大量收发信通道（TRX）以及大量高增益天线阵列实现信号水平和垂直方向的3D赋形，利用阵列增益和空间复用特性同时传输多路不同的数据，在保证不改变发射功率和频率资源的状态下，同时具备多天线赋形增益和多用户复用增益，在降低干扰、增强系统覆盖能力的同时，提高小区容量及边缘用户的传输速率，也提升了系统频谱效率和传输的可靠性，并且能耗并不会增加。

毫米波通信：相比于中低频段，毫米波可用带宽充足，天线体积小、增益较高，适合Small Cells、室内、固定无线和回传等场景部署。毫米波可以更好地与大规模 MIMO 结合，借助天线增益和先进的波束赋形技术显著地提高覆盖能力，从而在一定程度上补偿其高传输损耗，并成倍提升小区容量和峰值速率在提高网络部署密度的同时降低部署难度。

2.3无线网络

新型网络架构：5G支持云无线接入网（C-RAN）架构，将网络功能虚拟化技术应用到无线接入网络中，实现部分网络功能虚拟化，并部署于标准的云环境中，提升网络吞吐量和资源利用率，提高网络部署灵活性，易于实现CoMP（协同多点传输）、多RAT、动态小区配置等更先进的联合优化方案，满足移动用户的质量体验（QOE）需求。

超密集组网：基于热点密集组网场景，采用宏基站覆盖范围内增加大量小功率基站（Small Cells），构建多层异构网络以满足目标区域内的流量需求。通过本地化集中式的无线资源管理和干扰管理，提升用户体验。密集网络可利用空间复用和分集增益提升网络吞吐量，从而实现频谱效率的提升。

终端直通（Direct to Direct，D2D）：通过在热点地区或短距离覆盖范围内，在终端间建立直接的通信，一方面可以降低传输时延，有效减轻网络阻塞的概率和基站负荷，另一方面也可以进一步提高频谱效率，进而提升系统容量和传输速率。在得到网络的授权后，两个设备间可以直接通信，极大地缩短了端到端的传输时延，非常适合汽车安全与智能驾驶、本地工业控制等低时延场景。

2.4 5G关键技术与对应场景

综上所述，5G无线空口、无线传输和无线网络等方面的关键技术满足5G各类业务的性能需求。各项主要关键技术及其在对应场景下的主要贡献分析见表2。

三、后5G展望

未来，B5G及6G将以5G应用场景为基础，向速率维度、空间维度以及智慧维度等三维扩展。即通信速率由Gbit/s达到Tbit/s量级以上;通信空间由目前的陆地覆盖拓展至海洋、天空、太空场景下的多域和广域覆盖;通信智慧由目前单一设备的智能处理演进至多设备、多网络之间的协同跨域智能处理， 并且从信息传输、处理及应用层面进一步加强和深化通信智慧。

与 5G 相比，6G要在大多数技术领域保持 10～100 倍的性能提升，即 6G 需要达到 1 Tbit/s 的峰值速率，能为特定用例（如工业控制、自动驾驶）提供低于 1 ms 的时延，拥有不高于十亿分之一错误位的高可靠传输能力，且可为海量物联网业务提供大于每平方公里 107 节点的连接密度。

6G将采用新型波形技术、多址接入技术、新型编码技术及无蜂窝大规模 MIMO 技术等 先进的无线接入关键技术，探索更高频率太赫兹频段，实现全频谱应用;利用卫星、临近空间飞行器等拓展覆盖、构造天地融合全球泛在的通信网络。

四、结束语

5G采用大量先进的通信技术满足丰富的应用场景及强大的性能指标，将面向人的连接扩充到人与物和物与物的连接。随着5G、B5G技术的不断发展，各类应用场景相互交叉渗透，多种关键技术综合运用，使移动通信进入一个全新的发展空间和时代。 6G 将在 5G 基础上全面支持整个世界的数字化，并结合 AI、大数据等技术的发展，实现智慧的泛在可得，全面赋能万事万物。

参  考  文  献

[1] 王映民，孙韶辉等，5G移动通信系统设计与标准详解，人民邮电出版社，2020-09

[2] 岳胜，于佳，苏蕾，程思远，江巧捷，张学. 5G无线网络规划与设计 人民邮电出版社 2020-01

[3] 翟立君，王妮炜，潘沭铭，王宣宣. 6G 无线接入关键技术[J]. 无线电通信技术2021（1） 18-149