陳世勇

（北京交通大學(xué)，北京 100044）

0 引言

在通信技術(shù)快速發(fā)展的四十年，通信技術(shù)經(jīng)歷了四次變革，從1G網(wǎng)絡(luò)到4G網(wǎng)絡(luò)，從最原始的模擬信號傳輸，到后來更為安全快速的數(shù)字信號傳輸，通信技術(shù)在安全性、穩(wěn)定性、傳輸速率、信道容量等方面均取得了巨大的提升。當(dāng)今第五代蜂窩網(wǎng)技術(shù)即將到來，首先我們需要明白什么是5G技術(shù)。5G只是4G技術(shù)的改善與發(fā)展嗎？還是一種對蜂窩網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)生顛覆性改變的新技術(shù)？這篇文章主要論述5G移動通信技術(shù)所包含的關(guān)鍵性技術(shù)。

1 5G采用毫米波通信

以往的通信技術(shù)中均采用微波進行信號傳輸，3G和4G網(wǎng)絡(luò)主要使用1880Hz至2635Hz的頻譜范圍，因為在3000Hz以下的可用頻譜資源中可以提供更好的傳播特性。微波具有良好的抗災(zāi)能力，自然環(huán)境中存在的水災(zāi)，風(fēng)災(zāi)，地震等自然災(zāi)害對微波信號一般不產(chǎn)生影響。同時微波具有較大的帶寬和容量，使其被現(xiàn)存的通信設(shè)備廣泛采用。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，微波頻段大部分已經(jīng)被使用，現(xiàn)在可用的微波頻段已經(jīng)成為一種稀缺的資源。雖然微波段的頻譜資源變得稀少，但是毫米波段具有豐富的可利用頻譜資源，毫米波的一些特性引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的“淘金熱”。世界各地的公司和研究人員正在研究著毫米波各方面的傳輸特性。雖然當(dāng)今人們對毫米波的特性還未完全了解，但是毫米波在短程服務(wù)中已經(jīng)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。5G通信技術(shù)將使用頻譜范圍從30GHz到300GHz的毫米波頻段，并且這些可用頻譜資源大約是3G/4G網(wǎng)絡(luò)的200倍以上[1]。從通信原理的角度來看，無線通信的最大信號帶寬取決于載波頻率，載波頻率越高，可以使用的信號帶寬就越大。在5G通信技術(shù)中，信號將會擁有更大的帶寬。在毫米波中，28GHz和60GHz附近的頻譜是承載5G網(wǎng)絡(luò)信號的兩個最合適的頻帶。而且28GHz附近的可用頻譜帶寬可以達到1GHz，而接近60GHz的可用信號帶寬可以達到2GHz，因此可以承載5G網(wǎng)絡(luò)信號的總頻譜帶寬大約為3GHz。對于4GlTE網(wǎng)絡(luò)，其最高載頻帶寬約為2GHz，因此其可用頻譜帶寬僅為100MHz。對比毫米波和微波可用信號帶寬，5G帶寬可以增加十倍左右，當(dāng)需要傳輸?shù)男畔⒘看_定時，更寬的頻譜帶寬使5G信號的傳輸速度幾乎比4G網(wǎng)絡(luò)快十倍。從理論上講，信號傳輸時間將會大幅度減少，在實際生活和工程應(yīng)用中4G網(wǎng)絡(luò)的延遲約為10～20ms，而5G網(wǎng)絡(luò)的延遲僅為1～4ms。低延遲使實時傳輸和終端實時響應(yīng)成為可能，這對于工業(yè)自動化的發(fā)展至關(guān)重要。

2 5G大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模MIMI技術(shù)是5G技術(shù)中的一項重要的核心技術(shù)，他可以充分利用空間資源，提高通信質(zhì)量。MIMO技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端設(shè)置多個發(fā)射天線和接受天線的技術(shù)，使信號在多個信號發(fā)射裝置和接受裝置之間進行傳輸，通過這種信號多收多發(fā)的形式，可以在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的前提下，成倍地提高信道容量和接受端天線功率，以改善通信質(zhì)量[2]。大規(guī)模MIMO技術(shù)并不是一項新生技術(shù)，他是從MIMO技術(shù)中擴展和延伸過來的。MIMO技術(shù)在在4G網(wǎng)絡(luò)時代已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，只不過當(dāng)時的規(guī)模遠(yuǎn)小于5G天線規(guī)模。在4G中使用的MIMO技術(shù)最多使用8個天線，而在5G通信技術(shù)中波束賦形通過數(shù)十到數(shù)百根天線實現(xiàn)單用戶和多用戶的空分復(fù)用，可以有效提升頻譜效率5～10倍，是5G通信的核心技術(shù)[3]。大規(guī)模MIMO技術(shù)又稱為大規(guī)模天線陣列，通過大規(guī)模天線陣列實現(xiàn)波束賦形。波束賦形技術(shù)是一種可以根據(jù)特定場景自適應(yīng)的調(diào)整天線整列°的輻射圖的技術(shù)。在以往的通信技術(shù)中使用單天線的通信方式，基站到移動設(shè)備之間的通信只能依靠單天線到單天線的電磁波通信，在這種情況下，天線的輻射方位不可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)，就會導(dǎo)致天線輻射方位角固定不變，進而使頻帶可服務(wù)的用戶數(shù)受到限制。在大規(guī)模MIMO技術(shù)中，天線陣列可以自適應(yīng)調(diào)整每個天線發(fā)射信號的相位。通過這種方式在移動接收端形成電磁波的有效疊加，可以產(chǎn)生更強的信號增益來克服損耗，從而達到改善通信質(zhì)量的目的。

3 5G M2M通信技術(shù)

在5G通信技術(shù)中，信道帶寬增寬，信號傳輸延遲降低，以及信道容量擴大，這些特性使機器對機器的及時通信得以實現(xiàn)。M2M，是Machine-to-Machine的縮寫，即機器對機器通信技術(shù)的簡稱，通過在傳統(tǒng)機器上安裝傳感器，信息處理裝置，傳輸裝置等來賦予機器收集信息處理信息和交流信息的能力，賦予機器智能的屬性，從而實現(xiàn)機器與機器之間的信息交流。M2M技術(shù)主要是以設(shè)備通信為中心，當(dāng)前市場上應(yīng)用的M2M技術(shù)主要有，移動物流管理，移動支付，移動監(jiān)控等新興技術(shù)。M2M的本質(zhì)是機器與機器之間的數(shù)據(jù)互通，實現(xiàn)機器與機器的信息互通就需要通信領(lǐng)域內(nèi)多方面技術(shù)配合。首先需要M2M硬件也就是智能化機器，這些機器需要具備信息感知，信息加工和信息傳輸?shù)哪芰?。實現(xiàn)信息互通離不開通信網(wǎng)絡(luò)，通信網(wǎng)絡(luò)是M2M通信框架的核心，在5G時代通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍將會更廣，傳播速度將會更快。5G通信網(wǎng)絡(luò)將會進一步促進通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通還需要中間件，實現(xiàn)不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，在IT系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)之間建立橋梁。在5G技術(shù)的支持下M2M技術(shù)將會將會得到更快速的發(fā)展，在生活中的各個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)束語

這篇文章主要簡紹了5G通信技術(shù)中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，首先是5G信號采用毫米波通信，由于毫米波的一些特性使得5G通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和傳播延遲等信號傳播特性均得到根本性改善。然后簡紹了大規(guī)模MIMO技術(shù)，通過天線陣列的自適應(yīng)技術(shù)，使接收端可以獲得更大的信號增益，從而改善通信質(zhì)量。在5G網(wǎng)絡(luò)低延時，大容量的特性支持下，M2M技術(shù)將會得到快速的發(fā)展，在交通，電力，智能家居等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。5G通信技術(shù)的發(fā)展將會在工業(yè)界和人們生活中引起巨大的改變。