5G移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展思考

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移動(dòng)通信發(fā)展歷經(jīng)了語(yǔ)音通話、短信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、圖片傳輸、視頻播放的業(yè)務(wù)需求的變化，移動(dòng)通信系統(tǒng)的方式也發(fā)生了巨大變化。面對(duì)全球4G發(fā)展的浪潮，5g研究在全球范圍內(nèi)也不斷升溫，成為全球移動(dòng)通信領(lǐng)域新一輪技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。2012年歐盟啟動(dòng)了面向5G的研究計(jì)劃，日本、韓國(guó)、英國(guó)也相繼立項(xiàng)支持5G的研究與開(kāi)發(fā)工作，并且成立了專(zhuān)門(mén)的推進(jìn)組織，2013年初，中國(guó)成立了5G項(xiàng)目推進(jìn)研究課題組[1]。這些組織計(jì)劃將于未來(lái)幾年內(nèi)完成對(duì)5G體系的發(fā)展愿景、體系架構(gòu)、頻譜利用等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、試驗(yàn)與測(cè)試。

15G的概念

未來(lái)的新一代移動(dòng)通信5G系統(tǒng)，頻譜的超高利用率，人口密集區(qū)域優(yōu)質(zhì)通信的全面覆蓋，從現(xiàn)有的有線向全面無(wú)線覆蓋轉(zhuǎn)換；具有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率，提高資源利用率，傳輸速率比現(xiàn)有的4G提高10倍；對(duì)于現(xiàn)有的各類(lèi)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備全支持，保護(hù)現(xiàn)有的設(shè)備投資；綠色節(jié)能環(huán)保的超低功耗，以最小化網(wǎng)絡(luò)資源消耗構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)超實(shí)時(shí)、超可靠、超智能的數(shù)據(jù)傳輸，使得用戶體驗(yàn)得到明顯的改善；通過(guò)多種通信技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)造一個(gè)全新的全覆蓋的全球移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足未來(lái)10年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍的發(fā)展需求[2]。

25G的業(yè)務(wù)需求

2.1滿足人們虛擬現(xiàn)實(shí)的需求

通過(guò)對(duì)三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)等感覺(jué)的技術(shù)合成，利用高性能的模擬系統(tǒng)使移動(dòng)通信進(jìn)入3D時(shí)代，人類(lèi)可以在虛擬網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)實(shí)世界之間進(jìn)行具有臨場(chǎng)感的交互體驗(yàn)。

2.2滿足隨時(shí)隨地對(duì)高清視頻的需求

由于未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)將達(dá)到千兆級(jí)傳輸速度，用戶通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)幾乎可以不受限制地傳輸大量數(shù)據(jù)文件，大量占用帶寬的高清視頻播放將變得暢通無(wú)阻，移動(dòng)用戶隨時(shí)在線獲得超高速的端到端通信速率，保證用戶在任何地方都可欣賞到高清視頻。

2.3滿足智慧城市的需求

智慧城市是物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)和各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)集成并與現(xiàn)實(shí)社會(huì)相結(jié)合的代名詞，是城市發(fā)展規(guī)模轉(zhuǎn)型升級(jí)的結(jié)果。智慧城市理念引發(fā)了建設(shè)智慧城市的熱潮，各種類(lèi)型智慧領(lǐng)域技術(shù)研究及商業(yè)應(yīng)用成為業(yè)界研究和開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)，未來(lái)5G的商用將為智慧城市帶來(lái)更高質(zhì)量、更加快捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為智慧城市的建設(shè)創(chuàng)造了必要的發(fā)展條件。通過(guò)5G移動(dòng)互聯(lián)云服務(wù)平臺(tái)，用戶可以對(duì)所需的相關(guān)智慧服務(wù)進(jìn)行快捷的申請(qǐng)、使用、支付和撤銷(xiāo)。

2.4滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求

在未來(lái)，各種物體通過(guò)感知裝置，經(jīng)過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)信息送達(dá)到指定的云計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全面感知、可靠傳送和高速移動(dòng)處理，最終實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一個(gè)整體物聯(lián)網(wǎng)，這些離不開(kāi)一個(gè)高速、安全的網(wǎng)絡(luò)支持，未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)將以無(wú)線、高速、安全方式處理各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)信息，為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)提供新型的通信保障。

2.5滿足全新的用戶體驗(yàn)

多網(wǎng)融合的5G，不再停留在以技術(shù)為中心的服務(wù)理念，而是采用以體驗(yàn)為中心的服務(wù)方式，通過(guò)集成多種新型無(wú)線接入技術(shù)和現(xiàn)有無(wú)線接入技術(shù)提供極限體驗(yàn)，滿足用戶需求。

35G網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1高頻段傳輸

傳統(tǒng)移動(dòng)通信工作頻段主要集中在3GHz以下，這使得目前的頻譜資源十分擁擠，高頻段在移動(dòng)通信中的應(yīng)用是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，在高頻段（如毫米波、厘米波頻段）可以采用更加靈活的使用方式為將來(lái)5G分配足夠的高頻段支持業(yè)務(wù)發(fā)展，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，可以實(shí)現(xiàn)極高速短距離通信，支持5G容量和傳輸速率等方面的需求[3]。高頻段毫米波移動(dòng)通信的主要優(yōu)點(diǎn)是有足夠量的可用帶寬、小型化的天線和設(shè)備、較高的天線增益，但也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影響等缺點(diǎn)[4]。射頻器件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的問(wèn)題也有待進(jìn)一步研究和解決。

3.2新型多天線陣列傳輸

多天線技術(shù)經(jīng)歷了從無(wú)源天線陣列到有源天線陣列的變化，使得天線陣列從二維向三維拓展，形成新穎的三維高階MIMO大規(guī)模陣列，通過(guò)該陣列可以利用高頻段的毫米波技術(shù)過(guò)濾用戶間的干擾，提高無(wú)線信號(hào)的覆蓋范圍，將目前的頻譜效率提高若干個(gè)數(shù)量級(jí)。目前研究人員已針對(duì)大規(guī)模天線信道測(cè)量與建模、陣列設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)、導(dǎo)頻信道、碼本及反饋機(jī)制等問(wèn)題進(jìn)行研究，以提升無(wú)線覆蓋范圍。

3.3同時(shí)同頻全雙工

全雙工技術(shù)能夠突破FDD和TDD方式的頻譜資源使用限制，使得頻譜資源的使用更加靈活。然而，全雙工技術(shù)需要具備極高的干擾消除能力，這對(duì)干擾消除技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)，同時(shí)還存在相鄰小區(qū)同頻干擾問(wèn)題，在多天線及組網(wǎng)場(chǎng)景下，全雙工技術(shù)的應(yīng)用難度更大。

3.4D2D傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式是以基站為中心實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋，其基站及中繼站是固定的，特別是無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)不斷增加，現(xiàn)有的方式將無(wú)法滿足海量用戶在不同應(yīng)用環(huán)境中的業(yè)務(wù)需求。5G技術(shù)變革將打破傳統(tǒng)的蜂窩小區(qū)通信系統(tǒng)的概念，通過(guò)D2D技術(shù)，無(wú)需借助基站的幫助就能夠?qū)崿F(xiàn)通信終端之間的直接通信，拓展網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式。由于采用短距離直接通信使得信道質(zhì)量提高，同時(shí)保證較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，較低的時(shí)延和功耗。

3.5軟基站

作為未來(lái)5G的無(wú)線移動(dòng)基站平臺(tái)，5G的軟基站將融合各種軟件使得同一個(gè)硬件平臺(tái)適應(yīng)不同的通信制式需要，打破傳統(tǒng)的緊耦合方式，對(duì)接入網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行徹底變革，以更靈活的方式實(shí)現(xiàn)未來(lái)通信，這樣高度集中的軟基站方式可以簡(jiǎn)化基站結(jié)構(gòu)，精簡(jiǎn)管理，節(jié)約建網(wǎng)成本。

3.6密集網(wǎng)絡(luò)

在未來(lái)的5G通信中，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)正朝著網(wǎng)絡(luò)多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向演進(jìn)。隨著各種智能終端的普及，數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)井噴式的增長(zhǎng)。未來(lái)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將主要分布在室內(nèi)和熱點(diǎn)地區(qū)，這使得超密集網(wǎng)絡(luò)成為實(shí)現(xiàn)未來(lái)5G的1000倍流量需求的主要手段之一。超密集網(wǎng)絡(luò)能夠改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，大幅度提升系統(tǒng)容量，并且對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分流，具有更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的頻率復(fù)用。與此同時(shí)，愈發(fā)密集的網(wǎng)絡(luò)部署也使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓訌?fù)雜，小區(qū)間干擾已經(jīng)成為制約系統(tǒng)容量增長(zhǎng)的主要因素，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)能效。干擾消除、小區(qū)快速發(fā)現(xiàn)、密集小區(qū)間協(xié)作、基于終端能力提升的移動(dòng)性增強(qiáng)方案等，都是目前密集網(wǎng)絡(luò)方面的研究熱點(diǎn)。

3.7新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

未來(lái)5G可能采用C-RAN接入網(wǎng)架構(gòu)。C-RAN是基于集中化處理、協(xié)作式無(wú)線電和實(shí)時(shí)云計(jì)算構(gòu)架的綠色無(wú)線接入網(wǎng)構(gòu)架。C-RAN的基本思想是通過(guò)充分利用低成本高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)，直接在遠(yuǎn)端天線和集中化的中心節(jié)點(diǎn)間傳送無(wú)線信號(hào)，以構(gòu)建覆蓋上百個(gè)基站服務(wù)區(qū)域，甚至上百平方公里的無(wú)線接入系統(tǒng)[5]。C-RAN架構(gòu)適于采用協(xié)同技術(shù)，能夠減小干擾，降低功耗，提升頻譜效率，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)使用的智能化組網(wǎng)，集中處理有利于降低成本，便于維護(hù)，減少運(yùn)營(yíng)支出[6]。作為下一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)，目前5G的技術(shù)研究突破只是個(gè)時(shí)間問(wèn)題，不久的將來(lái)可望以新的形式展現(xiàn)在世界的面前，實(shí)現(xiàn)未來(lái)高速高質(zhì)通信夢(mèng)想。

作者：夏曉峰 單位：韶關(guān)學(xué)院韶州師范分院