移动通信技术及发展趋势

产业观察 Industry Observation 2015.08 数字通信世界39 1 引言 随着移动互联网的高速发展和新的终端形态的 演进， 包括智能家庭、 智能城市、 远程医疗、 环保监 测等数据业务的需求呈现爆炸式的增长趋势。 新兴 智能业务的层出不穷， 迫切需要更加高速、 高效、 智 能化的新一代无线移动通信技术来支撑。 因此， 在 全球第四代移动通信 （4G） 网络的部署方兴未艾之 时， 第五代移动通信技术 （5G） 的研发已拉开大幕。 5G是继4G之后， 为了满足智能终端的快速普及和移 动互联网的高速发展而正在研发的新一代移动通信 技术， 是面向2020年以后人类信息社会需求的第五 代移动通信网络。 2 5G概念 5G指的是第五代移动通信技术。与前四代不 同， 5G并不是一个单一的无线技术， 而是现有的无 线通信技术的一个融合。 目前， LTE峰值速率可以达 到100Mb/s， 5G的峰值速率将达到10Gb/s， 比4G提 升了100倍。 现有的4G网络处理自发能力有限， 无法 5G移动通信技术及发展趋势 宋文杰 （山东省招远市广播电视台， 招远 265400） 摘要： 本文首先介绍了5G概念和特点， 然后阐述了5G移动通信的关键技术， 最后对5G移动通信技术所面临的问题 和发展趋势进行了分析。 关键词： 5G特点； 关键技术； 面临问题； 发展趋势 doi： 10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.08.011 中图分类号： TN929.53 文献标示码： A 文章编码： 1672-7274（2015）08-0039-04 Abstract: Firstly, the 5G concept and characteristics were introduced, and then the key technology of 5G mobile communication in detail, finally the problems and development trend of 5G mobile communication technology are analyzed. Keywords： The characteristics of 5G; Key technology; Facing the problem; Development trend Song Wenjie (Zhao Yuan Television Station, Zhaoyuan, 265400) 5G Mobile Communication Technology and Development Trend 作者简介： 宋文杰， 男， 1973年生， 助理工程师， 主要从事广播电视技术工作。 产业观察 导航 天地 GNSS WORLD Industry Observation 2015.0840DIGITCW 支持部分高清视频、 高质量语音、 增强现实、 虚拟现 实等业务。 5G将引入更加先进的技术， 通过更加高 的频谱效率、 更多的频谱资源以及更加密集的小区 等共同满足移动业务流量增长的需求， 解决4G网络 面临的问题， 构建一个高速的传输速率、 高容量、 低 时延、 高可靠性、 优秀的用户体验的网络社会。 3 5G特点 5G网络包括五大应用场景： 随时随地最佳体 验； 支持大规模人群； 超高速场景； 超可靠的实时 连接； 无处不在的物物通信。 5G有以下特点： 相对于4G网络， 5G网络峰值速率需要提升 10倍， 达到10Gb/s以上。 相对于4G网络， 时延超低和可靠性高， 业务 时延小于5ms， 可实现450km/h高速环境下 通信。 相对于4G网络， 5G网络频谱利用率高， 而且 平均频谱效率需要提升510倍， 将利用演 进及频率倍增或压缩等创新技术提升频率 利用率。 一般用户可获得10Mb/s速率， 特殊用户达 到100Mb/s。 联网移动设备数量增加到现在的100倍， 网 络容量提升1,000倍。 更加绿色节能的5G系统， 通信能源消耗将是 目前网络的十分之一。 4 5G关键技术 4.1 高频段传输技术 对于移动通信系统而言， 在3GHz以下的频段 可以很好地支持移动性， 有良好的覆盖范围， 但目 前在这一区间的频谱资源十分紧张。 而在3GHz以 上的频谱资源非常丰富， 如果能够有效利用这一区 间的频谱资源， 将会极大地缓解频谱资源紧张的问 题， 因此， 高频段的使用将会成为未来发展的趋势， 未来无线通信需要利用高频段传输技术来提高系统 容量。 4.2 MIMO技术 MIMO信道容量具备随收发天线数中的最小 值呈类似线性增加特征。 通过添加多个天线， 可以 为无线信道带来更大的自由度， 以容纳更多的信息 数据。 MIM0可以大幅增加系统的吞吐量及传送距 离， 运用大规模多天线技术MIM0已成为提高系统 频谱利用率和传输可靠性的有效手段， 为大幅度提 高网络系统的容量提供了一个有效的途径。 4.3 全双工技术 全双工通信技术即同时同频地进行双向通信 技术。 在无线通信系统中， 网络侧和终端侧有着固 有的发射和接收信号的自干扰， 当前因技术条件限 制， 无法实现同时同频的双向通信。 全双工技术在 理论上可提高频谱利用率的一倍潜力， 可以实现更 为灵活的频谱使用， 同时因为器件技术和信号处理 技术的发展， 同时同频的全双工技术将在5G移动通 信系统中得到充分地挖掘和应用。 4.4 设备间直接通信技术（D2D） 传统的移动通信系统组网方式， 是以基站为中 心实现小区覆盖， 中继站及基站不能移动， 网络结构 的灵活度有限制。 未来5G网络， 数据流量大， 用户规 模大， 传统的以基站为中心的业务组网方式， 无法满 足业务需求。 D2D直接通信技术能够在没有基站的 中转下， 实现通信设备之间的直接通信， 拓展了网络 连接和接入方式。 D2D技术是短距离直接通信， 信 道质量高， 具有较高的数据速率、 较低的时延和较 低的功耗； 通过广泛分布的终端设备， 能够改善覆 盖， 实现频谱资源的高效利用； 支持更灵活的网络架 构和连接方法， 提升链路灵活性和网络可靠性。 4.5 多载波技术 在5G系统中， 为了达到高数据速率， 将可能需 求高达1GHz的带宽， 但在低频段难以获得连续的 宽带频谱资源， 在这些频段中， 有的无线传输系统， 比如电视网络系统中存在白频谱资源， 这些白频谱 的位置可能是不连续的， 希望在5G中能够采用新型 的多载波技术实现对这些频谱的使用。 4.6 新型网络架构技术 为了满足未来大规模、 高容量的业务需求， 5G 网络架构将具有低时延、 低成本、 扁平化、 易维护 等优点。 新型无线接入网架构具有基于协作式无线 电技术、 集中化处理技术、 实时云计算构架技术的 产业观察 Industry Observation 2015.08 数字通信世界41 输技术等新型通信技术， 将成为未来5G技术的重 要研究方向。 新型传输技术的启用和组网方式的创 新， 将增加设备的复杂度和研发成本， 对网络建设 和运营维护带来重大挑战。 5.3 终端设备问题 5G是一个多技术的集成网络， 融合了目前2G， 3G， 4G的技术， 并将启用和开发多种新兴技术。 5G 终端设备将支持510个甚至更多不同的无线通信 技术， 并且要支持1Gb/s以上空间速率， 待机时间达 到现有的45倍。 因此， 要实现低成本多模终端的 研发， 对终端设备的芯片和工艺、 射频技术以及器 件、 电池寿命等技术研发带来了挑战。 5.4 网络能耗与成本降低问题 5G目标是提供1,000倍数据流量， 并且运营成 和用户成本不能增加， 这就意味网络总体能耗和体 成本基本不能提升。因此， 5G网络的端到端比能 耗效率就要提升1,000倍， 并且降低单位比特开销 1,000倍， 这对网络架构、 空间传输、 内容分发、 交换 路由、 网络管理和优化等技术带来挑战。 5.5 产业生态问题 传统的3G， 4G通信系统是以网络运营商和技 术为主体， 未来5G网络是以用户体验和业务应用为 主体， 当前的网络架构、 管控理念并不适用未来5G 的产业生态结构和潜在的新兴运营模式。 因此， 需 要发展诸如软件定义网络（SDN）新技术来满足未 来业务应用需求， 解决产业生态结构问题。 6 5G移动通信技术发展的趋势 5G移动通信技术， 已经成为移动通信领域的 全球性研究热点。 随着科学技术的深入发展， 5G移 动通信系统的关键支撑技术会得以明确， 在未来几 年， 该技术会进入实质性的发展阶段， 即标准化的 研究与制定阶段。 同时， 5G移动通信系统的容量也 会大大提升， 其途径主要是进一步提高频谱效率、 变革网络结构、 开发并利用新的频谱资源等。 2013年初， 欧盟等国家的第7框架计划中启动 了关于5G的研发项目， 共有29个参加方， 我国的华 为公司也参与其中。 随着该项目的启动， 各种5G移 动通信技术的研发组织应运而生， 如韩国成立的5G 技术论坛， 中国成立的IMT-2020(5G)推进组等。 目 优点。 其本质是通过充分利用低成本高速光传输网 络， 直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无 线信号， 以构建覆盖上百个基站服务区域， 甚至上百 平方公里的无线接入系统。 4.7 网络智能化技术 5G的中心网络将是一个大型服务器组成的云 计算平台， 通过具有数据交换功能的路由器及交换 机网络与基站相连， 宏基站具有云计算和大数据存 储功能， 特别大或时效性强的数据将提交云计算中 心网络处理， 基站或终端的形态、 数量多， 不同的业 务采用不同的频段， 天线和连接方式多样。 因此， 需 要具有智能配置、 智能识别、 自动模式切换的功能， 实现智能自主组网， 未来智能化技术将是5G网络的 关键技术之一。 4.8 软件定义无线网络技术 在传统的Internet网络架构中， 控制和转发是 集成在一起的， 网络互联节点 （如路由器、 交换机） 是封闭的， 其转发控制必须在本地完成， 使得它们 的控制功能非常复杂， 网络技术创新复杂度高。 软 件定义网络的基本思路将路由器中的路由决策等控 制功能从设备中分离出来， 统一由中心控制器通过 软件来进行控制， 实现转发和控制的分离， 从而使 得控制更为灵活， 设备更为简单。 5 5G技术面临的问题 5.1 技术与系统融合问题 随着芯片技术的更新换代和智能终端的快速 发展， 无线移动通信业务和技术不断拓展和相互融 合。 未来的5G网络将是一个集成多业务、 多技术的 融合网络， 是一个多层次覆盖的通信系统。 要将多 种接入技术、 多种业务网络以及多层次覆盖的系统 进行综合集成、 有机融合、 高效利用等， 就目前技术 而言， 还有许多需要解决的问题。 5.2 频谱效率和容量问题 要实现5G网络数据流量大、 用户规模大、 数据 速率高、 永远在线的需求目标， 必须研发扩展频率、 提高容量和空间效率、 提升系统覆盖层次和站点密 度等各种通信技术。 例如， 超密集网络技术、 多天 线技术和多址技术、 多输入多输出 （MIMO） 空间传 产业观察 导航 天地 GNSS WORLD Industry Observation 2015.0842DIGITCW 前， 世界各个国家正积极就5G移动通信技术的应用 需求、 关键技术指标、 使能技术、 候选频段、 发展愿 景等各个方面进行全面的研讨， 以期在2015年召开 世界无线电大会时达成共识， 在2016年后积极启动 关于5G移动通信技术的相关行业标准进程。 移动互联网的快速发展是推动5G移动通信技 术发展的主要动力， 移动互联网技术是各种新兴业 务的基础平台， 目前现有的固定互联网络的各种服 务业务将通过无线网络的方式提供给用户， 后台服 务及云计算的广泛应用势必会对5G移动通信技术 系统提出较高的要求， 尤其是在系统容量要求与传 输质量要求上。 5G移动通信技术的发展目标主要定位在要密 切衔接其他各种无线移动通信技术上， 为快速发展 的网络通信技术提供全方位和基础性的业务服务。 就世界各国的初步估计， 包括5G移动通信技术在内 的无线移动网络， 其在网络业务能力上的提升势必 会在三个维度上同步进行： 第一， 引进先进的无线 传输技术之后， 网络资源的利用率将在4G移动通 信技术的基础上提高至少10倍以上； 第二， 新的体 系结构 （如高密集型的小区结构等） 的引入， 智能化 能力在深度上的扩展， 有望推进整个无线网络系统 的吞吐率提升大概25倍左右； 第三， 深入挖掘更为 先进的频率资源， 比如可见光、 毫米波、 高频段等， 使得未来的无线移动通信资源较4G时代扩展4倍左 右。 为了提升5G移动通信技术的业务支撑能力， 其 在网络技术方面和无线传输技术方面势必会有新 的突破。 在网络技术方面， 将采用更智能、 更灵活的 组网结构和网络架构， 比如采用控制与转发相互分 离的软件来定义网络架构、 异构超密集的部署等。 在无线传输技术方面， 将会着重于提升频谱资源 利用效率和挖掘频谱资源使用潜能， 比如多天线技 术、 编码调制技术、 多址接入技术， 等等。 7 结束语 当代科学技术的飞速发展， 尤其是网络通信技 术的迅猛发展， 将有力推动5G移动通信技术的发 展进程。 目前， 5G移动通信技术的科研尚处于起步 阶段， 并即将迈入发展的关键时期， 其关键指标和 技术需求都会在未来几年内陆续出台， 届时将引领 我国移动通信行业的新一轮变革。 参考文献 1尤肖虎5G移动通信发展趋势与若干关键技术J.中国科学，2014(5) 2董利，陈金鹰，刘世林等.第五代移动通信初探J.通信与信息技术， 2013(5):53-55 美国卫讯荣获航空机载通信卓越创新奖 日前， 美国卫讯公司 （ViaSat Inc.） 的Exede空中上网服务在航空领域被评为机载通信卓越创新奖冠军， 该奖项用于表彰对提升 航空领域具有突出贡献的个人、 机构、 团队和项目。 Exede空中上网服务超越了以前的性能标准， 彻底改变了旅客现有的飞机Wi-Fi上网体验， 将旅客使用率提升至业界高水平， 并 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