5G 移动通信的关键技术应用研究

吴 鲸

（中国铁塔股份有限公司 北海市分公司，北京 536000）

0 引 言

我国全面建设了4G 移动通信网络，提供了稳定的移动通信，满足了网络通信需求。然而，信息化时代发展下对于数据交流的传输速率提出较高要求，因此5G 通信技术获得社会关注。在多年发展中，5G移动通信技术研发已完成，开始进入实用阶段。商业发展过程中，5G 通信技术暴露出较多问题。为了促进5G 移动通信技术的发展，必须要获得关键技术的发展。

1 5G 技术特点

5G 移动通信技术特点如下。

（1）关注用户体验，扩大网络覆盖。4G 技术加快了通信传输速度，5G 技术则具备强大的连接功能，因此使用人员可以随时随地使用设备连接网络。

（2）5G 技术可以实现低功耗优势[1]。4G 技术的传输速度快，但是对手机电池要求高。目前，不仅移动终端可以连接网络，智能手环、智能手表也可以连接网络。设备终端不再只关注传输速率，而是关注耗电量。低功耗优势，能够促进智能设备的开发与研制。

（3）传输速度快。在5G 技术发展中，热点高容量会成为研究方向，从而消除4G 技术的流量传输过程的速率降低问题。在人口密度较大的地区，使用5G 技术可以优化配置传输速率，减少消息滞后、卡顿等问题。

（4）低时延。工业上对于可靠性、时延性要求高，5G 技术的低延迟性达到1 ms，可靠性超过99.999%，用户最小容量达到1 Gb[2]。

（5）端到端性能。智能设备程序持续运行，设备会向搜索信息服务器发送请求，保证连接状态，但是会影响端到端的性能，减缓信息发送与下载速度。5G 技术发展过程中，也要改善端到端性能。

2 5G 移动通信的关键技术

与4G技术相比，5G技术的接入区、服务区无限制，传输速率不会出现明显提升趋势。5G 网络架构如图1 所示。

图1 5G 通信网络体系

2.1 超密集异构网络部署

为了应对数据业务的增长需求，5G 网络架构从传统移动蜂窝方式，逐渐转向异构型、分布式的通信模式，网络种类非常多。小区部署密集度高，单个小区的覆盖范围小。以Macro 为网络基石，通过Relay、Femtocell 和Pico-cell 低功率基站，可以消除Macrocell 覆盖盲区，分担蜂窝负担，提供高可靠和低时延性能，但此种架构的干扰影响大。封闭接入方式、用户自定义部署、设备发送功率差异，都会产生干扰影响。层内、层间的干扰复杂，因此要做好干扰管理、干扰协调处理。3G 技术提出小区间干扰协调（Inter Cell Interference Coordination，ICIC）标准，基于频域层、时域层、功率控制层，降低密集网络干扰[3]。5G 网络可以实现多网并存，多小区协作。频谱资源的稀缺度高，缺乏充足频段进行分配，所以在应用干扰消除方法时，应当全面提升资源效率。

5G 网络的拟研究内容如下：第一，密集多小区场景下采用干扰协调机制，提出干扰消除方法；第二，密集多小区场景可以和频谱高效协作，形成波束成形方法。利用超密集异构部署法，可以扩大网络容量，这已成为国内外研究重点。

2.2 D2D 通信技术

本地广告、社交网络的流行发展，增加了人们对近距离数据通信的需求。蜂窝系统存在功耗、容量、覆盖问题，灵活性不足，很难满足不同业务的可靠性、实时性要求。所以在5G 技术体系研究中还深入探究了终端直通（Device-to-Device，D2D）通信技术。D2D 通信属于5G 关键技术，能够有效支撑、补充蜂窝通信，促进无线数据流量增长，加强可靠性和实时性。D2D 通信技术为短距离通信，可以确保数据在终端内的传输。

D2D 通信技术的特点在于降低干扰、节约资源、减少传输成本以及提升传输效率等。3G 技术拟定D2D 通信白皮书，深入研究干扰协调、通信控制、功率控制以及资源分配，但是D2D 通信在5G 技术中还是存在以下问题。

（1）D2D 通信的无线资源管理。关于D2D 通信模式的启动时间、蜂窝通信资源共享、复用系统资源等问题，都会增加辅助通信系统的资源调度难度，干扰用户的体验度。

（2）可靠性、实时性问题。在5G 网络体系中，通过通信可靠性和时延性，对通信性能质量进行评价。D2D 通信中，按照用户需求和服务类型，满足设备通信的可靠性和实时性需求，成为D2D 通信技术的重要内容。

（3）干扰抑制问题。多小区D2D 通信时，存在干扰抑制问题。资源优化配置之前，需要准确了解全局信道状态的信息。当前，尽管基站协作技术可实现上述功能，但是能耗和精确度低下问题常见，应当制定科学的基站协作技术方案，既可以支持D2D 多小区通信分配，又可以降低能源消耗[4]。

2.3 大规模MIMO 技术

大规模大规模多进多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术，将天线放置在发送端和接收端，从而形成MIMO 通信链路。增加天线装置之后，能够扩大无线信道的自由度，扩充数据信息的容纳量。4G 网络为8 端口和多用户模式，很难满足频率效率和能量效率的数量提升需求。大规模MIMO 技术，可以提升能量效率和频谱效率。5G 技术具备巨大潜力，可以实现多内容扩展。由于方位定向天线的空间限制大，传播时很难避免角度扩散问题，需要加大天线数量与设备数量的匹配度。利用上行导频技术，并采用分双工信道估计法，可以减少MIMO 内的基站天线数量限制。在5G 技术支持下，大规模MIMO 技术可以生成新架构和新部署。虽然人们采用低增益谐振天线阵列代替宏基站，但是其他部署的可行性也比较高，如农村地区水箱表面部署共形天线阵列。大规模MIMO 技术的潜力大，但基于技术实现分析，大规模MIMO 技术要通过低功耗、低成本的自治功能实现的话，发展空间非常大。

2.4 无线网络技术

无线网络技术可以优化传输技术。当5G 技术接入状态良好时，则联合多种无线技术。在具体应用无线网络技术时，多层覆盖问题较为常见。5G 技术朝着多元化方向发展，随着移动数据流量的增长，要缩短终端和节点的距离，提升网络功率，扩大网络覆盖范围。无线网络技术的发展前景广阔，但节点距离短，网络拓扑的复杂度高，因此要改进技术缺陷，实现移动通信的可持续发展。

网络运行过程中，合理应用自组织技术，可以发挥出移动通信性能，提升网络运行的智能化水平。网络运行过程中既可以自主配置，处理故障问题，还可以自主维护网络技术，优化网络结构。如物理规划、工作部署等，都要实现无人化值守与操作。系统运行过程中，可以自主完善并处理相关问题，人工成本低廉。5G通信技术是一种异构网络，同时存在多种管理制度。使用自组织技术，能够保证移动通信运行的平滑度，做好通信系统的优化工作，促使5G 网络技术运行状态良好。无线网络技术的软件定义，多处于无线网络运行中，路由器能够作用到中心控制器中，发挥出决策功能，高效处理网络运行的控制集成和转发集成问题。网络功能处于独立运行状态，可以灵活控制网络体系。利用运行软件，能够发挥出无线网络技术的控制作用。网络运行涉及控制层、应用层、基础设施层，可以有效控制网络节点的发挥。将软件控制技术应用到无线网络体系，可以充分利用路由，促进5G 通信网络的发展。

2.5 绿色通信技术

引入智能化技术，在保证用户体验度的同时，将节能方案部署在异构网络体系中。按照统计结果可知，信息技术、通信技术产业的能源消耗约为10%[5]。在无线网络体系中，基站能源消耗超过50%，因此5G通信技术要朝着绿色化方向发展。绿色通信技术的发展，需要减少单个基站的能源消耗。基于网络调度，确保网络按照服务区的用户业务量变化，动态调度资源和控制效率。同时，做好网络部署、网络拓扑结构的优化。在5G 通信网络中，要考虑以下问题：第一，网络能量的高效传输；第二，基于业务中心，动态分配网络资源。

3 5G 移动通信技术的应用

3.1 新的游戏体验

虚拟现实成为科技发展潮流，可以与其他空间的人同处于虚拟环境游戏内。虚拟现实技术的内容瓶颈多，存在内容制作和传输等问题。在5G技术支持下，可以将内容传输到虚拟现实设备。资料传输速度加快，用户无需担心设备长时间负载问题。

3.2 自动驾驶汽车

5G 网络体系可以快速协调自动驾驶汽车。不管是在十字路口，还是与他人交谈中，都可以实现中央控制器的回应。当汽车拥有大量相机、感应器时，可以持续捕捉影片画面，发生交通事故后，可以从多角度观察事故情况。

3.3 视频会议

在未来发展中，5G 技术可以实现沟通视觉化。如果在与家人、朋友视频通话时，高解析度可以实现与家人“零距离”接触[6]。但是，当前的网络很难提供即时通话，主要是受网络限制，视频画面不太连贯。

4 5G 移动通信系统的发展展望

4.1 万物互联

4G 网络的快速发展，智能家居行业发展的成熟度提升，然而行业起步晚，并且与万物互联的差距大。但是，5G 技术的全面化发展，可以发挥出低能耗、短时延和大流量优势，满足万物互联需求。未来，5G 技术能够促进互联网发展，将其应用到交通行业、自动化领域，形成万物互联局面。

4.2 生活云端化

5G 时代下，用户可以随时播放4K、8K 视频，云技术取得突破性进展，改变社会生产、生活方式。网络环境的速率持续提升，云盘会逐步替代硬盘，用户不会受时间和空间限制，将大型文件传输到云端。5G 通信技术快速发展，明确了5G 云化发展方向，从中心云逐渐过渡到边缘云，形成移动设备云。智能设备普及率提升后，人们开始依赖移动数据业务，为了加快网络速度，采用无线网络信息提供关联性服务，提升用户的体验感。此外，5G 通信技术可以存储大量资源，从移动设备云内下载、存储资源。

4.3 实现智能交互

5G 技术的数据吞吐量、数据处理效率高，可以实现人工智能交互、数据交换。5G 技术的时延性低，可以应用于无人驾驶、远程医疗、虚拟现实以及智慧城市等领域。未来，智能交互应用范围持续扩大，涉及电器、工程、门锁以及汽车监控等领域[7]。社会各界对于5G技术的关注度高，将技术应用到城市监管、社会建设等领域，实现真正的智能交互，为社会经济发展提供助推力。

5 结 语

5G 通信网络改变了传统通信模式，凸显出信号传输、网络连接优势，提升智能设备使用率。5G 技术的发展潜力大，各领域都开始引入5G 技术，能够推动我国通信产业的发展。在今后发展中，5G 技术会高度关注人际交往，为用户提供优质体验，逐步朝着绿色通信方向发展。