0 引言

    移動通信是一個充滿生機而又有無限發(fā)展可能的領(lǐng)域，從第一代模擬調(diào)制通信系統(tǒng)到第二代數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，從最初僅能支持少量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到今天實現(xiàn)了視頻、音頻、圖片等多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速傳輸，移動通信技術(shù)正發(fā)生著深刻的變革。

    隨著智能手機、平板電腦與強大的多媒體功能和應(yīng)用程序的流行，移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展已成為第五代移動通信技術(shù)(5G)發(fā)展的主要驅(qū)動力。本文將從應(yīng)用場景、技術(shù)需求和關(guān)鍵技術(shù)三個方面對5G移動通信若干關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)在與未來發(fā)展進行評述。

1 5G概述

    5G是面向下一代移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)，具備超高的頻譜利用率和能量效率，以及成本低、安全可靠的特點。5G將使得信息通信突破時空限制，給用戶帶來前所未有的交互體驗，極大地縮短人與物之間的連接，并快速地實現(xiàn)人與萬物的互通互聯(lián)。

2 5G應(yīng)用場景

    在第三代和第四代移動通信中，主要聚焦于“移動寬帶”這一應(yīng)用場景，著重致力于給用戶提供更高的系統(tǒng)容量和更快的接入速度。在5G時代，各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將廣泛普及，如智慧城市、智能電網(wǎng)、遠程醫(yī)療、車載娛樂、智能運動，未來的5G網(wǎng)絡(luò)需要支持虛擬現(xiàn)實、超清視頻和移動游戲等服務(wù)，這類移動交互式應(yīng)用對無線接入的帶寬和通信延遲有著很高的需求。除此之外，在公共安全方面，包括應(yīng)急語音通話、無人機遠程監(jiān)測、入侵監(jiān)測、急救人員跟蹤等場景，這些應(yīng)用需要5G通信系統(tǒng)提供零延遲、高可靠的傳輸保證^[1]。

3 5G技術(shù)需求

    綜合未來移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)各類場景和業(yè)務(wù)的需求，5G主要技術(shù)場景可以歸納為連接廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠四個場景。以上四個場景為5G系統(tǒng)提出了以下技術(shù)需求：

    (1)傳輸速率需求。傳輸速率提高10~100倍，用戶體驗速率達到0.1~1 Gb/s，用戶峰值速率可達10 Gb/s。

    (2)時延需求。時延降低5~10倍，達到毫秒量級。

    (3)設(shè)備連接密度需求。設(shè)備連接密度提升10~100倍，達到600萬個/平方公里。

    (4)流量密度需求。流量密度提升100~1 000倍，達到20 Tbps/km²以上。

    (5)移動性需求。移動性達到500 km/h以上，實現(xiàn)高鐵環(huán)境下的良好用戶體驗。

4 5G關(guān)鍵技術(shù)

    每一代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展都會伴隨著關(guān)鍵技術(shù)的興起，新的技術(shù)將會滿足通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求和技術(shù)需求，并推動著網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)向前發(fā)展。目前，5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)仍處于研究階段，究竟何種關(guān)鍵技術(shù)在未來能夠被5G標準采用，仍是有待商榷的。但是，可以肯定的是，未來5G網(wǎng)絡(luò)是一個兼容并包、靈活開放的系統(tǒng)。本文以應(yīng)用場景和技術(shù)需求為出發(fā)點，將對其中一些物理層關(guān)鍵技術(shù)進行說明。其中，應(yīng)用場景、技術(shù)需求和關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)系如圖1所示。

4.1 毫米波通信

    通信技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴于大量可利用的頻譜資源，然而目前的商業(yè)工作頻段都集中在300 MHz～3 GHz，3～300 GHz(毫米波)頻段的利用率較低，利用毫米波頻段進行無線通信是解決微波頻段頻譜資源稀缺的有效方法之一。在設(shè)計毫米波通信系統(tǒng)時，由于大氣的衰減，需要充分考慮電磁波在大氣中的傳播特征，毫米波的主要缺點是在大氣層中傳播時期頻率選擇性吸收比低頻段的無線電波更為嚴重，因此毫米波更適用于應(yīng)對小范圍熱點高吞吐量需求^[2]。

4.2 全雙工通信技術(shù)

    全雙工通信技術(shù)是指同時、同頻進行雙向通信的技術(shù)。由于在無線通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)存在固有的發(fā)射信號對接收信號的自干擾，現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)中，不能實現(xiàn)同時同頻的雙向通信，雙向鏈路都是通過時間或頻率進行區(qū)分的，對于TDD和FDD，這樣理論上浪費了一半的無線資源，而全雙工技術(shù)可以實現(xiàn)上行鏈路和下行鏈路同時利用相同的資源進行雙向通信，理論上可以令資源利用率提升一倍，因此同時同頻全雙工技術(shù)成為5G研究的一個重要方向。不過它也同樣面臨著巨大的技術(shù)難題，就是在發(fā)送和接收信號時，由于功率差距非常大，會導(dǎo)致嚴重的自干擾，因此首要解決的是干擾消除問題。另外，還存在著鄰小區(qū)同頻干擾問題，全雙工在多天線的環(huán)境下應(yīng)用難度更大，需要深入研究^[3]。

4.3 大規(guī)模MIMO技術(shù)

    多天線技術(shù)是提高系統(tǒng)頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段，已經(jīng)應(yīng)用于多種無線通信系統(tǒng)中，如3G系統(tǒng)、LTE、LTE-A、WLAN等。傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)存在硬件復(fù)雜度增加、信息處理復(fù)雜度增加、能量消耗等問題，顯然已經(jīng)不能滿足人們對超高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。2010年貝爾實驗提出了在基站側(cè)采用大規(guī)模天線陣列技術(shù)代替現(xiàn)有的多天線技術(shù)，使得基站天線數(shù)量遠大于其能夠同時服務(wù)的單天線移動終端數(shù)目^[4]。

    與傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)相比，大規(guī)模MIMO有以下幾點優(yōu)勢：天線數(shù)目的增加使得最大比發(fā)送預(yù)編碼的性能接近最優(yōu)，降低了實現(xiàn)的復(fù)雜度，大幅度提高了系統(tǒng)容量；空間分辨率顯著增強，具有深度挖掘空間維度資源的能力，在不增加基站密度和帶寬的條件下大幅度地提高頻譜效率；有較低的發(fā)射功率消耗和成本；可以將波束集中在很窄的范圍內(nèi)，從而降低干擾。

4.4 非正交多址接入（NOMA）技術(shù)

    面對新一代無線網(wǎng)絡(luò)的需求，傳統(tǒng)的多址技術(shù)已經(jīng)難以滿足在系統(tǒng)吞吐量、用戶速率體驗方面的需求，在5G系統(tǒng)中采用新型的多址接入技術(shù)，即非正交多址接入。NOMA技術(shù)的基本思想是在發(fā)送端采用非正交發(fā)射，主動引入干擾信息，在接收端通過干擾消除檢測接收機實現(xiàn)正確的解調(diào)。NOMA的信道傳輸采用正交頻分復(fù)用或離散傅里葉變換正交頻分復(fù)用技術(shù)，只是一個子頻帶上時域頻域資源不再是只分配給一個用戶，而是多個用戶共享，以此來提高頻譜效率和用戶接入量^[5]。

4.5 極化編碼技術(shù)

    香農(nóng)在有噪聲信道編碼理論中指出，存在達到香農(nóng)極限的碼字，Erdal Arikan引入了信道極化理論，根據(jù)組合信道在碼長足夠大時發(fā)生的極化現(xiàn)象，提出了Polar編碼方案^[6]，可在保證一定傳輸可靠性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)高傳輸速率，它是一種基于信道極化理論定義的線性分組碼，作為線性分組碼，Polar碼與LDPC碼類似，但它是唯一已證明的可在二進制離散無記憶信道上達到香農(nóng)極限的信道編碼方式，并有著較低復(fù)雜度的編譯算法，僅為O(NlogN)，其中N為碼長^[7]，所以在信源編碼、協(xié)議中繼及干擾融合等通信領(lǐng)域中有著重要的前景，同樣也是5G網(wǎng)絡(luò)的一項突出的關(guān)鍵技術(shù)^[8]。

4.6 D2D通信

    在未來5G網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)容量、頻譜效率需求進一步提升，設(shè)備到設(shè)備通信(D2D)具有潛在的提升系統(tǒng)性能、增強用戶體驗、減輕基站壓力、提高頻譜利用率的前景^[9]。D2D通信是一種基于蜂窩系統(tǒng)的近距離數(shù)據(jù)直接傳輸技術(shù)，D2D會話的數(shù)據(jù)直接在終端之間進行，不需要通過基站轉(zhuǎn)發(fā)，而相關(guān)的控制信令仍由蜂窩網(wǎng)絡(luò)負責(zé)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)引入D2D通信，可以減輕基站負擔(dān)，降低端到端的傳輸時延，提升頻譜效率，降低終端發(fā)射功率。

5 展望

    在移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的強勁推進下，通信產(chǎn)業(yè)能力快速提升，根據(jù)移動通信的發(fā)展規(guī)律來說，5G技術(shù)將在2018年進入測試階段，2020年之后實現(xiàn)商用。今后的幾年中將是確定5G網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵技術(shù)、使用頻段、技術(shù)指標、發(fā)展方向的關(guān)鍵時期?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系將會得到重新的整合，通信系統(tǒng)的頻譜效率、能耗效率將會得到根本的提高，設(shè)備終端將更加智能，網(wǎng)絡(luò)配置和維護的費用將會更低。演進、融合、創(chuàng)新將會成為5G移動通信系統(tǒng)發(fā)展的主要路線。

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