移动通信系统发展及关键技术研究*

李碧连，马芳草，王梦瑶，李醒醒，管石俊，冀保峰

(河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471003)

0 引言

4G在移动网络通信质量与效率上的提升给人们的生活带来了最直观的变化，共享单车、网上打车、外卖软件、短视频平台、直播购物等生活类App的大量涌现，创造了一种全新的生活方式[1]。5G在提高移动网络性能的同时，从手机这个单一领域扩展到了全领域、全行业，通过物联网、车联网、工业互联网等形式，为人类创造了一个人与万物超低延时智能互联的世界。2021年，正值4G、5G交换更替之际，在此次融合升级过程中出现了很多问题，本文通过对移动通信原理的阐述，分析了4G和5G移动通信的技术应用及其影响，以帮助读者最简易的理解移动通信相关知识。

1 移动通信原理概述

1.1 移动通信的定义及发展历史

1.1.1 移动通信的定义

移动通信是指移动用户与固定点用户之间的通信，这种通信一般会有一方或两方处于运动状态，如携带通信设备移动的人、船只、火车或飞机[2]。

如果需要与移动终端通信，如有两个人想发起通话，一方发起呼叫后，中心基站会收到信号，并将信号发送给移动交换局，移动交换局收到呼叫请求后，会向被呼叫方所在的基站发送信号，传递呼叫请求，查询被叫用户忙闲状态，如若状态为空闲，被呼叫方会向基站发送应答信号，最终基站会为两方分配一条通信信道并发送相应信号指令，两方通信由此成功建立。

1.1.2 移动通信发展简史

现代移动通讯以20世纪80年代第一代通讯技术的提出为标志，经过几十多年的迅猛发展，到如今已发展到了第5代通信技术，每一代的更迭，都带给我们新的惊喜。1G时代时只能进行语音的传输，具有深深的区域限制性；2G时代手机能上网了，3G时代随时随地无线上网，开启全球漫游；4G时代比拨号上网快2 000倍，通信灵活；5G时代突破人与人的通信，万物互联。1-5G移动通信系统可以用如下的指标和核心技术来定义，如表1。

表1 移动通信发展史

1.2 移动通信的特点及工作方式

由于移动通信用户的移动状态可能是低速、高速、超高速或大范围等情况，所以移动通信系统与用户之间的信号传输方式是无线传输，且这种无线传输受环境因素影响较大。这也就造成了移动通信的特点包括：时变信道特性、环境干扰特性、频谱特性、用户终端特性、管理和控制特性、速率特性、兼容特性、业务融合特性、自组织与自适应通信特性等特点。

移动通信的工作模式可根据呼叫状态和频率的使用方法分为两类:单向通信模式和双向通信模式。目前常用的是双向通信模式，其又可分为三种模式:单工通信、双工通信和半双工通信。

1.3 移动通信系统的组成

移动通信系统根据其应用范围有多种形式，主要包括陆地公众蜂窝移动通信系统、集群移动通信系统、无绳电话系统、无线寻呼系统、无线LAN和卫星移动通信系统。每一种成本、复杂度、性能和服务类型均存在很大差别，本文只简略介绍陆地蜂窝系统。公共陆地移动通信网络由移动交换机连接公共电话网、数据库、网络管理、基站控制器和一些干线组成。目前通用的蜂窝移动通信系统的构成示意图如图2。

图1 移动通信系统组成

图2 蜂窝移动通信系统

2 现行4G移动通信

4G是在3G的基础上开发的，具有更快的传输速率和更高的传输质量。4G的核心技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式，4G部署在有线电视调制解调器和DSL未覆盖的地方，并由此扩展到整个地区[3]。4G的数据下载速率很快，能够又快又好地传输音频、高清图像和视频等数据业务，4G已经能满足普通用户几乎所有的无线业务需求。显然，4G通信技术的创新比过去的通信技术具有压倒性的优势：

1) 智能性高:4G通信终端设备的设计和操作更具智能化，可以实现许多实用便利的功能：4G手机能进行视频通话、网上购物和滴滴打车等；4G手机也可以清楚显示电影院售票及座位情况；4G手机还可以作为小型移动电视，能随时随地观看比赛、直播等。

2) 兼容性好、高质量通信:4G与前几代通信系统相比，增加了全球漫游、能跟多种网络互联、接口开放、终端多样化，能从2G平稳过渡等优点。4G的出现顺应了市场用户数量的增加，4G用户数量已达12.96亿户；满足了多媒体的传输需求，越来越多的应用能支持超多用户同时在线；提高了通信品质，不会轻易掉线掉帧卡顿。

3) 频带使用效率更高:4G运用了路由技术的网络架构，对无线频率的使用比2G和3G有效的多。这种有效体现在可以让更多的人使用与以前相同的无线频谱做更多的事情，并且做这些事情时的速度更快。

经过了30多年的高速增长，我国公用移动通信实现了从“2G跟随”、“3G突破”，到“4G同步”的飞跃。在中国，4G以前所未有的速度飞速发展，我国建成了全球规模最大的4G网络，成为该领域最完备的国家。社会在不断发展，市场对于数据容量的需求在不断增加，通信产业的更迭不会止步4G，因此5G的产生是必然的。而中国，在5G战场上，也终于拿到了“5G超越”的关键节点！

3 新兴5G移动通信

3.1 5G是什么？

为什么需要5G？5G是什么？

随着移动互联网的不断发展，高清视频、VR/AR等业务层出不穷，毫不夸张地说，在未来十年里，移动通信网络会面对超目前1 000 倍的数据容量增长和10 倍～100 倍的用户数据需求。同时由于万物物联的发展及工业4.0等垂直行业的渗透需求，移动通信未来会产生大量数据，且这些数据需要快速传输，而4G传输数据容量小，速度慢，已经无法满足未来移动通信的需要，所以就需要速度更快、容量更大的5G移动通信。

5G是2G、3G和4G系统的加强融合版，但这种加强融合不是简简单单“1+1+1=3”的关系。

3.2 5G基本原理

3.2.1 5G的信号覆盖

在4G时代，一个基站内可能会因为用户距离远近、分布不均匀而产生网络资源分配不均匀的问题，不能保证每一个用户的上网体验如一，而5G就要避免这一问题，确保用户都有大带宽和低时延的上网体验，信号覆盖成为了首要攻克的难题。移动通信工程师对此行了重要的技术创新：

1) Massive-MIMO(大规模天线)技术。

2) 上下行解耦技术

“上下行解耦[5]”技术可理解为“下行5G频率，上行4G频率”，这个技术可很好地解决数据传输问题。下行5G指的是基站向手机通信时采用5G高频传输，基站可以通过加大发出信号功率来解决信号穿透的问题。而手机的电量和功率比基站小的多，不可能一直通过加大信号功率来解决信号传输问题，所以上行4G就需要让手机通过频段较低的4G信号传输数据。而4G的频段频率低，波长长，可以较好地衍射从而穿透障碍物，如此一来4G、5G两相互补，完美解决了问题。

3.2.2 5G网络架构

5G网络是建立在软件定义网络、网络功能虚拟化和云计算技术基础上的网络系统，因此具有更灵活、更智能、更开放、更高效的特点。5G“三朵云”的网络架构由中国电信率先提出，“三朵云”分别是接入云、控制云和转发云。

在从局域网向全网转型的过程中，5G网络架构将在一定时期内处于中期阶段，通信技术与IT技术的融合将逐步从核心网向无线接入网延伸，最终推动整个网络架构的演进。

3.3 5G关键技术

5G关键技术主要体现在全频谱、新空口、新架构、新特性上。

全频谱接入采用了低频和高频混合的组网方式，其中低频是5G的核心频段，高频(6 GHz～100 GHz)频谱用于满足高速率、大容量等5G网络的需求；另外还采用上先行解耦、灵活双工和全双工方式。新空口包括F-OFDM基础波形、新型多址方式(SCMA、PDMA、MUSA)和新调制编码(如多元低密度奇偶校验码、极化码)。新架构包括超密组网、C-RAN、CU-DU分离、MFC、D2D通信等关键技术。新特性包括Massive MIMO、网络灵活切片控制面用户面解耦等技术。

3.4 5G应用场景

万物互联的5G时代，将开启一系列技术与体系的研究与创新，5G带来更多终端，加以云智能、人工智能、云计算、大数据等技术，实现网络与产品的连接，提升网络创新发展；充分发挥5G在这个时代的价值，为我国制造业的发展提供广大前景。5G技术或将成为我国网络发展与制造技术创新的核心技术。5G的万物互联也将给这个时代带来前所未有的创新与改革。

4 结语

不论是对产业技术的影响，还是对经济、社会、文化等方面的影响，5G无疑是一个重要转折点，也正是由于5G对行业应用的支持，所以这个移动通信制式会是未来的传统行业改革的数据基础[8]。对曾经IT和CT并行发展的ICT产业来说，IT主攻计算机方面，对运算能力的提升进行深入研究，即将ICT的数据视为增值数据，在CPU内进行优化调整；而CT侧重于通信方面的改进与创新，即将ICT的数据视为流量数据，在通信通道内进行改善；5G技术将IT和CT紧密融合，寻找其中的平衡状态，实现相互通用。

表2 5G应用场景

5G虽是移动通信技术发展至今的宝贵结晶，但从大局看，5G也只是一个开始，是全新体系的一个起点，它是通信和计算的融合，是万物互联的纽带。5G的出现不仅是一个新的移动通信技术的产生，还是一系列全新技术体系研究创新的基础。终端的概念从5G开始不再是单纯的通信终点，而是被重新定义为下一个通信的开始，是通信之间的节点，终端用户概念也逐渐模糊，终端不再局限于人与人[8]，通过与物联网、机械化等领域的结合，借助大数据与云计算，未来的终端智能化将具有更广阔的研究空间，甚至出现新的研究领域，5G将带来更加智能化的时代。