第五代移动通信技术研究
2022-06-09
摘 要：第五代移动通信技术5G（fifth-generation）是由于目前4G移动通信网络无法满足在信息技术和网络技术的迅猛发展情况下人们对未来移动通讯业务迅猛增长的需求，而正在研发的新一代的能力更强劲的无线移动通信技术。文章主要研究了第五代移动通信技术发展方向、特点和关键技术。
关键词：移动通信;第五代;5G;关键技术
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）36-0061-01
1 概 述
在信息技术的迅猛发展和智能终端的大规模普及的状况下，人们对移动通信服务的要求在不断提升，全球移动通信网络的数据流量每年在以翻倍的速度激增。移动通信业根据目前移动通信的发展速度作出预测，全球移动通信网络的数据流量到2020年时将达到2015年时的10倍（预计达到300 Eb），并随着物联网以及移动M2M联接（指支持无线系统与类似设备进行通信的应用）的高速发展，联网终端设备数目到2020年时将达到2015年的5倍之多（预计达到500～1 000亿台）。对于未来的移动通信网络数据业务的更高要求，目前的第四代移动通信系统（4G）明显不能满足其要求，这使得全球移动通信业开始着手研究发展更加迅速、更具效率、更智能化的下一代移动通信技术——第五代移动通信技术（5G）。
2 移动通信网络的发展
按照用户的需求和技术的发展，移动通信网络发展分为多个阶段，每一次的发展换代都为移动通信带来了巨大的变革。
第一代移动通信技术——1G以模拟技术为基础开展了最初的仅限语音的蜂窝电话标准，建立了移动通信的基本结构;
第二代移动通信技术——2G改变了通讯技术：从模拟技术转向数字技术，2G系统基于电路交换架构，能够进行窄带数据通讯，能为用户提供除语音通信外的短信和低速率数据业务，传输速度很慢。
第三代移动通信技术——3G是一种基于分组交换的网络，能够同时将声音及数据信息以几百kbps以上的速率的传送。
第四代移动通信技术——4G是基于IP协议的高速移动通信网络，拥有比3G更快的速率，并且有VoLTE通讯技术。随着高性能应用对数据率需求的日益增长，人们对下一代移动通讯网络——5G产生了越来越浓厚的兴趣。
3 5G移动通信技术
3.1 5G通信发展方向
移动通信网络的迅猛发展是推动5G移动通信发展的主要动力。5G移动通信技术的主要发展方向将是与其他移动通信技术密切衔接，为移动通信网络的高速发展提供全面的基础性服务。按照当前移动通信业的发展来看，未来的无线移动通讯网络（包含5G在内）业务能力的提升会在三个维度上同时改进：
①研究发现新的无线传输技术，在4G的基础上把资源利用率提高至少10倍;
②通过加入新的体系结构（如更加密集的小区结构等）和更加完善的智能化能力将整个移动通讯系统的网络吞吐率提高约25倍;
③继续研究寻找新的频率资源（如高频段、毫米波与可见光等），将未来的移动通信系统的频率资源扩大到目前的4倍。
3.2 5G移动通信技术的特点
未来的5G移动通讯网络比起当下4G网络，数据流量会增长1 000倍，联网的设备终端会扩大100倍，达到600～1 100亿台，峰值速率将要提升10倍，即至少到10 Gbit/s，并且在某些特殊情况下，单独某个用户的单链路速率需要高于10 Gbit/s。
而在一般状况下，只有极少数用户达不到10 Mbit/s以上的速率。由于5G移动通讯网络的数据流量大、终端设备数目多，与4G网络相比就会发现频谱资源不足这一问题，因此5G网络就必须将平均频谱效率提升五至十倍才能达到满足要求。
同时，5G将具有时延短和可靠性高的特点，能够满足用户随时随地的网络在线服务，极大地降低用户时延和控制时延，并对于重大业务端到端服务可靠性必须提升到99.99%以上。
3.3 5G移动通信技术的关键技术
5G移动通讯网络需要在无线传输技术和无线网络技术方面有新的进展才能满足其更进一步的业务要求。现在5G移动通信系统仍处于研究开发阶段，但是无线传输技术需要更高的效能、无线网络技术需要更高的密度是业界和学术界都普遍认可的5G移动通信系统的关键技术。
而这具体应该包含以下几个方面：
①在无线传输技术方面， 将不断发掘能提升频谱效率潜力的技术， 如先进的高频段传输技术、多天线传输技术、同时同频全双工技术、新的波形设计技术等;
②在无线网络技术方面， 将运用更加智能和灵活的网络架构和组网技术， 如新型网络架构技术、密集网络技术、智能化技术等。
3.3.1 高频段传输技术
如今的移动通信技术主要在3 GHz以下的频段工作，随着用户数目的不断增加会使得频谱资源变得拥挤甚至不足。然而在高于3 GHz的高频段，如频率范围为26.5～300 GHz的毫米波段，可利用的带宽高达273.5 GHz，是目前主要工作频段带宽的近10倍。如果采用毫米波段，5G移动通讯技术在终端容量和传输速率等方面的要求将会得到满足。
3.3.2 新型多天线传输技术
作为5G移动通讯技术重要研究方向之一的多天线传输技术，能够将频谱利用率提高到4G网络的几十倍以上。目前业界和学术界正在研究大规模天线信道的测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、用户空分多址（SDMA）、码本及反馈机制等问题，用来降低通讯系统网络能耗以及增强信号覆盖能力。
3.3.3 密集网络技术
5G网络的数据流量将是4G的1 000倍，是一个宽带化、多元化、综合化和智能化的网络。
要想达到这个目标有两种途径：
一是为了获取更高的室外空间增益而在宏基站处建立大规模天线，二是为了同时满足室内和室外的数据需求而增加更多的密集网络。
由于室内和热点地区将是未来5G移动通信网络的数据业务主要分布地点，研究人员研究发现超密集网络是提高数据流量的重要技术。超密集网络由于极大缩短了输入端和输出端之间的实际距离，所以增强了网络覆盖能力，提高了终端用户的性能，巨大的增加了系统容量。
3.3.4 智能化技术
在5G移动通信系统中，中心网络将会是云计算平台，由一个大型服务器组成;基站具有云计算和大数据存储功能;它们由路由器及交换机网络相连接。路由器及交换机网络具有数据交换功能，基站会智能的将特别大或不能及时处理的数据将提交到中心网络通过云计算去处理。
4 结 语
当前全世界5G移动通信系统的技术研究都尚处于初期阶段，接下来的几年将经历确定其技术需求、标准化、外场试验等过程，按照移动通信的发展规律，5G将在2020年之后实现商业应用。随着不断深入的研究，5G关键技术必将取得突破性的进展，从而推动全球的信息化发展和经济增长。
参考文献：
[1] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].
中国科学：信息科学，2014，（5）.
[2] 王景尧，白岩，孟祥娇，等.5G无线通信技术发展跟踪与分析[J].现代电 信科技，2014，（12）.
[3] 赵国锋，陈婧，韩远兵，等.5G移动通信网络关键技术综述[J].重庆邮电
大学学报（自然科学版），2015，（4）.
关键词：移动通信;第五代;5G;关键技术
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）36-0061-01
1 概 述
在信息技术的迅猛发展和智能终端的大规模普及的状况下，人们对移动通信服务的要求在不断提升，全球移动通信网络的数据流量每年在以翻倍的速度激增。移动通信业根据目前移动通信的发展速度作出预测，全球移动通信网络的数据流量到2020年时将达到2015年时的10倍（预计达到300 Eb），并随着物联网以及移动M2M联接（指支持无线系统与类似设备进行通信的应用）的高速发展，联网终端设备数目到2020年时将达到2015年的5倍之多（预计达到500～1 000亿台）。对于未来的移动通信网络数据业务的更高要求，目前的第四代移动通信系统（4G）明显不能满足其要求，这使得全球移动通信业开始着手研究发展更加迅速、更具效率、更智能化的下一代移动通信技术——第五代移动通信技术（5G）。
2 移动通信网络的发展
按照用户的需求和技术的发展，移动通信网络发展分为多个阶段，每一次的发展换代都为移动通信带来了巨大的变革。
第一代移动通信技术——1G以模拟技术为基础开展了最初的仅限语音的蜂窝电话标准，建立了移动通信的基本结构;
第二代移动通信技术——2G改变了通讯技术：从模拟技术转向数字技术，2G系统基于电路交换架构，能够进行窄带数据通讯，能为用户提供除语音通信外的短信和低速率数据业务，传输速度很慢。
第三代移动通信技术——3G是一种基于分组交换的网络，能够同时将声音及数据信息以几百kbps以上的速率的传送。
第四代移动通信技术——4G是基于IP协议的高速移动通信网络，拥有比3G更快的速率，并且有VoLTE通讯技术。随着高性能应用对数据率需求的日益增长，人们对下一代移动通讯网络——5G产生了越来越浓厚的兴趣。
3 5G移动通信技术
3.1 5G通信发展方向
移动通信网络的迅猛发展是推动5G移动通信发展的主要动力。5G移动通信技术的主要发展方向将是与其他移动通信技术密切衔接，为移动通信网络的高速发展提供全面的基础性服务。按照当前移动通信业的发展来看，未来的无线移动通讯网络（包含5G在内）业务能力的提升会在三个维度上同时改进：
①研究发现新的无线传输技术，在4G的基础上把资源利用率提高至少10倍;
②通过加入新的体系结构（如更加密集的小区结构等）和更加完善的智能化能力将整个移动通讯系统的网络吞吐率提高约25倍;
③继续研究寻找新的频率资源（如高频段、毫米波与可见光等），将未来的移动通信系统的频率资源扩大到目前的4倍。
3.2 5G移动通信技术的特点
未来的5G移动通讯网络比起当下4G网络，数据流量会增长1 000倍，联网的设备终端会扩大100倍，达到600～1 100亿台，峰值速率将要提升10倍，即至少到10 Gbit/s，并且在某些特殊情况下，单独某个用户的单链路速率需要高于10 Gbit/s。
而在一般状况下，只有极少数用户达不到10 Mbit/s以上的速率。由于5G移动通讯网络的数据流量大、终端设备数目多，与4G网络相比就会发现频谱资源不足这一问题，因此5G网络就必须将平均频谱效率提升五至十倍才能达到满足要求。
同时，5G将具有时延短和可靠性高的特点，能够满足用户随时随地的网络在线服务，极大地降低用户时延和控制时延，并对于重大业务端到端服务可靠性必须提升到99.99%以上。
3.3 5G移动通信技术的关键技术
5G移动通讯网络需要在无线传输技术和无线网络技术方面有新的进展才能满足其更进一步的业务要求。现在5G移动通信系统仍处于研究开发阶段，但是无线传输技术需要更高的效能、无线网络技术需要更高的密度是业界和学术界都普遍认可的5G移动通信系统的关键技术。
而这具体应该包含以下几个方面：
①在无线传输技术方面， 将不断发掘能提升频谱效率潜力的技术， 如先进的高频段传输技术、多天线传输技术、同时同频全双工技术、新的波形设计技术等;
②在无线网络技术方面， 将运用更加智能和灵活的网络架构和组网技术， 如新型网络架构技术、密集网络技术、智能化技术等。
3.3.1 高频段传输技术
如今的移动通信技术主要在3 GHz以下的频段工作，随着用户数目的不断增加会使得频谱资源变得拥挤甚至不足。然而在高于3 GHz的高频段，如频率范围为26.5～300 GHz的毫米波段，可利用的带宽高达273.5 GHz，是目前主要工作频段带宽的近10倍。如果采用毫米波段，5G移动通讯技术在终端容量和传输速率等方面的要求将会得到满足。
3.3.2 新型多天线传输技术
作为5G移动通讯技术重要研究方向之一的多天线传输技术，能够将频谱利用率提高到4G网络的几十倍以上。目前业界和学术界正在研究大规模天线信道的测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、用户空分多址（SDMA）、码本及反馈机制等问题，用来降低通讯系统网络能耗以及增强信号覆盖能力。
3.3.3 密集网络技术
5G网络的数据流量将是4G的1 000倍，是一个宽带化、多元化、综合化和智能化的网络。
要想达到这个目标有两种途径：
一是为了获取更高的室外空间增益而在宏基站处建立大规模天线，二是为了同时满足室内和室外的数据需求而增加更多的密集网络。
由于室内和热点地区将是未来5G移动通信网络的数据业务主要分布地点，研究人员研究发现超密集网络是提高数据流量的重要技术。超密集网络由于极大缩短了输入端和输出端之间的实际距离，所以增强了网络覆盖能力，提高了终端用户的性能，巨大的增加了系统容量。
3.3.4 智能化技术
在5G移动通信系统中，中心网络将会是云计算平台，由一个大型服务器组成;基站具有云计算和大数据存储功能;它们由路由器及交换机网络相连接。路由器及交换机网络具有数据交换功能，基站会智能的将特别大或不能及时处理的数据将提交到中心网络通过云计算去处理。
4 结 语
当前全世界5G移动通信系统的技术研究都尚处于初期阶段，接下来的几年将经历确定其技术需求、标准化、外场试验等过程，按照移动通信的发展规律，5G将在2020年之后实现商业应用。随着不断深入的研究，5G关键技术必将取得突破性的进展，从而推动全球的信息化发展和经济增长。
参考文献：
[1] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].
中国科学：信息科学，2014，（5）.
[2] 王景尧，白岩，孟祥娇，等.5G无线通信技术发展跟踪与分析[J].现代电 信科技，2014，（12）.
[3] 赵国锋，陈婧，韩远兵，等.5G移动通信网络关键技术综述[J].重庆邮电
大学学报（自然科学版），2015，（4）.