5G网络的关键技术及发展趋势

2017-03-09陈俞凯

网络安全技术与应用 2017年6期

◆陈俞凯宋灏

5G网络的关键技术及发展趋势

◆陈俞凯宋灏

（空军预警学院湖北 430019）

随着大数据时代的到来，移动数据呈现出爆炸式增长，各行各业产生的海量数据需求必然会对传统通信网络带来巨大挑战。目前，5G网络即第五代移动通信系统已成为下一步研究与发展的重点，但其技术发展尚未成熟。2015年6月24日，国际电信联盟公布5G技术标准化时间表，5G技术的正式名称为IMT-2020,5G标准将在2020年制定完成。基于此，本文结合国内外移动通信发展的最新趋势，概括性的介绍了5G网络的关键技术并展望了5G网络未来的发展趋势。

5G；关键技术；发展趋势

0 前言

自20世纪70年代以来，经过40多年的发展，移动通信技术不断提高，在人们生活中发挥的作用越来越大。然而现阶段我们所使用的4G通信技术实质上并没有脱离以前的通信技术，只是在传统通信技术的基础上利用了一些新的通信技术，来提高无线通信的网路功率和功能。随着移动互联网的高速发展和物联网业务的不断增长，智慧城市，智能电网等概念相继提出，4G通信技术越来越无法满足各种场景下用户对移动通讯的需求，5G移动通讯技术的研究应运而生。5G作为4G的延伸，是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，将会是一个真正意义上的融合网络，提供人与人、人与物、物与物之间高速,安全和自由的联通。与4G相比，5G将具有超高的频谱利用率和能效，数据传输率和资源利用率也会得到较大提升，并以低成本、低耗能、安全可靠以及更好的无线覆盖性能带来更优越的用户体验。

1 5G网络关键技术

移动互联网的蓬勃发展使5G的开发成为国内外通信领域的研究热点，但关键技术仍在研发阶段，其概念和技术也尚未形成统一标准。依据目前移动通讯技术的发展现状，本文将从无线传输技术和无线网络技术两大方面介绍5G网络的关键技术。

1.1 无线传输技术

（1）大规模MIMO无线传输技术

所谓大规模MIMO（Massive MIMO），就是多用户多入多出技术(MU-MIMO)的升级。为了提升无线信号的传输质量，在传统MIMO技术中，会采用多个天线将无线信号进行同步收发。而大规模MIMO技术会在基站端布置几百根天线（128根或者256根甚至更多），对几十个目标进行无线信号收发，使空间资源充分挖掘，从而有效利用频带资源并提升网络容量。大规模MIMO并不只是简单的扩增天线数量，当天线的数量趋于很大（无穷）时，信道之间趋于正交，其系统性能越稳定。

使用大规模MIMO的好处，不仅能大幅度提高网络容量，还在于在使用过程中其功率将会大大减少。同时，与单天线传输相比，几百根天线组成几百个相互独立的信道，这就使得通信系统变得更加易于处理。因此，大规模MIMO技术在5G中的运用至关重要。但是，要想发挥大规模MIMO技术理论上的全部性能，还需要突破信道模型、容量和传输技术性能分析、预编码技术、信道估计与信号检测技术等方面的瓶颈。

（2）全双工技术

全双工（Full Duplex）技术是在微处理器与外围设备之间采用发送线和接受线各自独立的方法，可以使数据在两个方向上同时进行传送操作。简单来说，就是在发送数据的同时也能接收数据，两者同时进行。

理论上全双工技术可以大幅度提高频谱利用率，减少时延，以便于5G系统最大程度上使用无线频谱资源。但是实现全双工技术的运用仍有关键性的一点还未突破——如何消除自干扰，自干扰是由于发送信号和接受信号之间的差异过大而产生的。目前已有多个研究团队致力于该难题研究并提出了一些改进技术。无容置疑的是，一旦全双工技术发展成熟并运用，将会促成5G网络技术的大飞跃。

1.2无线网络技术

（1）超密集异构网络技术

据估算，由于移动互联网的飞速发展，设备数和用户数据大量增长，越来越多的智能终端接入互联网，2020年的数据流量将比2010年增长1000倍，而使用超密集异构网络技术可以充分满足大数据的业务需求。

超密集异构网络技术通过在宏站覆盖区内增加站点10倍以上的无线节点，拉近终端与节点间距离，使功率效率和频谱效率提高并扩大系统容量，从而为更多的用户提供更稳定的服务。虽然超密集异构网络技术在5G中具有较大的运用空间，但我们已知5G网络通信并不是一种全新的无线接入技术，而是在原有4G,3G等无线接入技术演进的基础上，增加一些新的无线接入技术，因此，由于节点间距的缩短，密集的网络部署会产生共享频谱资源干扰，不同覆盖层次间的干扰等。同时，无线节点的增多也会增加超密集异构网络部署的难度和成本。

（2）自组织网络技术

在传统的通信网络中，网络连接通常有固定的网络设备如基地站的支持，需要大量的人力与物力投入，迫使运营商投入大量建设成本和运营成本。而自组织网络不需要固定设备支持，其移动终端仍可以通过无线连接进行通信或者作为单独的网络独立工作。

自组织网络技术无需基础设施的特点，有助于大幅削减5G网络的商用成本，快速扩大5G网络的覆盖率，并使移动终端客户节约使用成本，提高用户交互体验的满意度提供了可能。

（3）D2D通信

D2D（Device-to-Device）通信是一种在蜂窝系统的基础上，允许终端之间不经网络中转直接进行通信的近距离数据传输技术，它能够增加蜂窝通信系统频谱效率，降低终端发射功率，提高系统性能并带来更丰富的通信模式以提升用户体验。因此，D2D通信多运用于应急通信、物联网增强、室内定位等方面，如此广阔的市场前景，使D2D通信在5G网络的演进中受到广泛关注。

与此同时，D2D通信的实现仍需要考虑一些问题，例如，一旦终端用户之间的距离过远，则无法实现直接通信，又或者如何进行蜂窝模式和D2D模式的切换以最大程度的发挥无通信系统的全部性能。不仅如此，怎样对D2D网络进行功率控制和干扰协调也值得深入研究。

（4） M2M通信

5G移动通信系统是一个融合网络，物联网是其中的一个重要组成部分。顾名思义，物联网就是物与物相连的互联网，即在以互联网为核心和基础上扩展和延伸到物品和物品之间的信息交换和通信。物联网的出现和演进是信息产业发展的第三次浪潮，物联网技术已实现智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术的运用。

M2M通信作为物联网的核心技术之一，是指在传统的机器上通过安装传感器、控制器等来赋予机器以“智能”的属性，从而实现机器与机器间的通信交流。目前我们所使用的移动支付、自动售货、物流管理系统等，都是通过M2M通信技术实现的。科学技术的发展使机器在越来越多的领域取代人力资源，M2M通信使机器根据程序主动进行通信分析，数据做出选择并完成指令。因此M2M作为机器之间一种智能化，交互式的通信，有助于取代人力操控实现智能管理和服务，使生产、生活、工作、学习更加方便。

2 5G网络的发展趋势

5G网络凭借其超高的频谱利用率和能效、传输速率和资源利用率，以及其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验的显著提高等特点，成为世界各国和通信巨头争相研发的对象。欧盟相继启动5G PPP和METIS等重大项目，投入研发经费超过14亿欧元；韩国发布5G国家战略，拟投入15亿美元研发资金并计划与2018年开展5G预商用试验：日本成立了5G移动推进会（5GMF），计划在2020东京奥运会前提供5G商用服务：美国4G Americas启动5G研究，Verizon成立5G技术论坛。我国于2013年成立了面向5G网络发展的IMT-2020推进组，将这一新一代移动通信技术列为国家科技重大专项，入选“863”计划，并与欧美日韩5G推进组织签署五方合作备忘录MoU，力争在2020年实现5G 商用。

5G移动通信的使用势必会带来通信领域的革新。5G网络可以高速稳定的用于连续广域覆盖场景、热点高容量场景、低功耗大连接场景和低时延高可靠场景等，加快研发步伐，尽快实现5G移动通信的商用，抢先占领国际市场成为我国信息技术产业与企业的发展方向。不仅如此，5G网络的研发除了获取商业利润，其重要意义还在于取得国际通信领域的话语权和领导权，扩大我国移动通信的国际影响力，提高国家竞争的软实力。