劉曉菲

摘 要：隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，每一次的更新變革都為我們的生活與工作帶來了巨大的促進(jìn)。本文通過當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境對新一代移動(dòng)通信技術(shù)的需求分析，介紹了 5G 移動(dòng)通信技術(shù)現(xiàn)階段的成熟技術(shù)，并對5G 移動(dòng)通信技術(shù)在未來的應(yīng)用進(jìn)行了簡單推測。

關(guān)鍵詞：5G；移動(dòng)通信技術(shù)

一、簡介

通信技術(shù)的變更日新月異，在4G通信技術(shù)發(fā)展地如火如荼的時(shí)候，5G已漸漸走進(jìn)人們的視野。第五代移動(dòng)電話行動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，簡稱5G，也叫做第五代移動(dòng)通信技術(shù)。

2013年5月13日，韓國三星電子有限公司宣布，已成功研發(fā)第5代移動(dòng)通信的核心技術(shù)，可以在28GHz頻段以大于每秒1Gbps的速度傳輸數(shù)據(jù)，并且傳輸距離長達(dá)2公里。然而，目前使用的第四代長期演進(jìn)（4GLTE）服務(wù)的傳輸速率僅為75Mbps。

現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)自誕生起一直改變著我們的生活。從只能支持模擬語音信號(hào)通信的1G，到開啟數(shù)字蜂窩通信的2G，再到普及移動(dòng)終端上網(wǎng)需求的3G，最后是現(xiàn)在，模糊了有線與無線傳輸邊界的4G時(shí)代。可以預(yù)計(jì)的是，到了5G時(shí)代，人與物都將成為互聯(lián)網(wǎng)矩陣中的上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，相互交換數(shù)據(jù)，合為一個(gè)大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。這將從根本上改變我們的生活方式，也將顛覆現(xiàn)階段的生產(chǎn)方式。

二、需求

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展是 5G 移動(dòng)通信的主要驅(qū)動(dòng)力。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將會(huì)超越固定互聯(lián)網(wǎng)成為用戶體驗(yàn)的第一平臺(tái)， 現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的多數(shù)業(yè)務(wù)也將逐漸由固網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^無線方式提供服務(wù)，云計(jì)算及后臺(tái)服務(wù)的廣泛應(yīng)用將對 5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)提出更高的數(shù)據(jù)傳輸要求。而物聯(lián)網(wǎng)則要求5G 網(wǎng)絡(luò)提供海量的連接。所以當(dāng)前5G 的主要技術(shù)正是對應(yīng)這兩大驅(qū)動(dòng)力設(shè)計(jì)的。

三、技術(shù)

下面簡單闡述5G技術(shù)對移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)需求的回應(yīng)

（1）毫米波（millimeter waves）：現(xiàn)今的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)大多工作在低頻段。低頻段優(yōu)點(diǎn)是傳播性能好，而缺點(diǎn)就是連續(xù)頻率資源有限，意味著對每個(gè)用戶而言可使用帶寬少，從而引發(fā)更慢的移動(dòng)服務(wù)和更多的連接中斷。無線通信的最大信號(hào)帶寬大約是載波頻率的5%左右，因此載波頻率越大，可實(shí)現(xiàn)的信號(hào)帶寬也越大。在毫米波頻段中，60GHz頻段每個(gè)信道的可用信號(hào)帶寬則到了2GHz。相比而言，4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下，而可用頻譜帶寬只有100MHz。因此，如果使用毫米波頻段，頻譜帶寬和傳輸速率可以提升數(shù)倍。毫米波頻段的另一個(gè)特性是在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱。因此當(dāng)5G無線信號(hào)在覆蓋室內(nèi)用戶的時(shí)候，可以有效避免信號(hào)干擾。

（2）小基站（small cells）：為了克服毫米波在空氣中衰減大，導(dǎo)致室外傳播性能差的特點(diǎn)，5G通信系統(tǒng)將使用小基站技術(shù)。這種小基站比傳統(tǒng)基站小很多，更易安裝，更少的電量運(yùn)行需求，每隔250米設(shè)置一個(gè)。一個(gè)城市需要大量小基站組成密集網(wǎng)絡(luò)以保障不中斷的通信連接。這種密集部署方式可以使得同一頻率在同一地區(qū)相隔較遠(yuǎn)的不同基站同時(shí)使用，也就意味著頻率重復(fù)利用率大幅度提高，有效地節(jié)省了頻段資源。

（3）大規(guī)模天線技術(shù)（massive MIMO）： 4G基站有十幾個(gè)天線端口用于處理所有移動(dòng)流量。而5G基站則具有幾百個(gè)天線端口。這使得一個(gè)基站能夠同時(shí)向更多用戶發(fā)送和接受信號(hào)，從而大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量，并避免由深度衰落引起的時(shí)延。

（4）波束成形技術(shù)（Beamforming）：傳統(tǒng)通信方式是基站與終端間單天線到單天線的電磁波傳播，而在波束成形技術(shù)中，基站端配合大規(guī)模天線技術(shù)，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)天線發(fā)射信號(hào)的相位，使其在終端接收點(diǎn)形成電磁波的疊加，從而達(dá)到提高接收信號(hào)強(qiáng)度的目的。同時(shí)，大規(guī)模天線的基站還可以同時(shí)瞄準(zhǔn)多個(gè)用戶，構(gòu)造朝向多個(gè)目標(biāo)客戶的不同波束，并有效減小各個(gè)波束之間的干擾。這種多用戶的波束成形在空間上有效地分離了不同用戶間的電磁波，也避免了大規(guī)模天線信號(hào)的交匯干擾。

（5）全雙工模式技術(shù)：當(dāng)前4G基站和手機(jī)的射頻收發(fā)器在同一頻率上必須交互發(fā)射或接受數(shù)據(jù)信號(hào)（TDD模式），或者是在不同頻率上同時(shí)發(fā)射和接受數(shù)據(jù)信號(hào)（FDD模式）。5G的射頻收發(fā)器則能夠在同一頻率上同時(shí)發(fā)射和接受數(shù)據(jù)信號(hào)，即全雙工模式。它將在最基本的物理層上使無線網(wǎng)絡(luò)容量增倍。

四、應(yīng)用

2016年3月，中國工信部表示：5G是新一代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要方向，是未來新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。與4G相比，不僅將進(jìn)一步提升用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，同時(shí)還將滿足未來萬物互聯(lián)的應(yīng)用需求。

隨著以上技術(shù)的逐步投入應(yīng)用，5G將為無線通信帶來更快的下載速度，更強(qiáng)的室內(nèi)覆蓋能力，更大容量的應(yīng)用接入，更低延遲的用戶體驗(yàn)。以下簡單介紹5G通信技術(shù)在不久未來的具體應(yīng)用。

（1）更快的傳輸速度。高速率的數(shù)據(jù)上傳下載將支持4k及以上級(jí)別的實(shí)時(shí)播放。大量的數(shù)據(jù)處理將在云端完成，作為終端的手機(jī)和平板，甚至個(gè)人電腦只需起到輸入輸出的作用，大大節(jié)省了資源。

（2）更強(qiáng)的室內(nèi)覆蓋能力和更大容量的應(yīng)用接入。極強(qiáng)的信號(hào)覆蓋能力將引發(fā)現(xiàn)有通信設(shè)備接入標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)變，終端接入容量的提升使得人與物、物與物的聯(lián)系變得更加容易?；谶@兩點(diǎn)，可以預(yù)見物聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)快速的進(jìn)步和爆發(fā)。

（3）更低延遲和更可靠的用戶體驗(yàn)。5G將大大提升AR、VR等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的用戶體驗(yàn)，這會(huì)是對遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)、自動(dòng)駕駛、工業(yè)控制等技術(shù)的極大促進(jìn)，相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)方式會(huì)有巨大改變。

五、結(jié)語

5G 移動(dòng)通信發(fā)展是全球移動(dòng)通信領(lǐng)域新一輪技術(shù)競爭的開始。歐盟已明確表示希望確立全球統(tǒng)一的5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而不再是多種標(biāo)準(zhǔn)并存。5G技術(shù)與未來的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)，蘊(yùn)含著巨大的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略利益，因此各國都希望能在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上占據(jù)主導(dǎo)權(quán)，都早早進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)和布局。力爭在未來 5G 技術(shù)與商業(yè)競爭中的獲得領(lǐng)先優(yōu)勢，更已成為我國信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展最為重要的任務(wù)之一。隨著研究的不斷深入，5G 關(guān)鍵技術(shù)已逐漸明確。期待在不久的將來，越來越多的生活和生產(chǎn)方式會(huì)因5G技術(shù)而發(fā)生翻天覆地的變化。

參考文獻(xiàn)：

[1]尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù).中國科學(xué)：信息科學(xué)，2014：44（5）.

[2]METIS.Mobile and wireless communications enablers for the 2020 information society.In：EU 7th FrameworkProgramme Project， https：//www.metis2020.com.