5G移动通信的关键技术探析

5G移动通信的关键技术探析

吴贤哲

公诚管理咨询有限公司第七分公司广东珠海519000

摘要：本文主要对5G移动通信的关键技术进行了分析与探讨，以供同仁参考。

关键词：5G移动通信；关键技术

一、前言

5G技术包括几乎所有以前几代移动通信的先进功能。5G网络中使用的路由器和交换机技术将会提供高连通性。用户可以把5G技术用于手机和其他移动通信设备上网，就好像笔记本电脑宽带上网一样。用户能同时连接多个无线接入技术并可以在它们之间切换。本文主要对5G移动通信的关键技术进行了分析与探讨，以供同仁参考。

二、5G移动通信的关键技术

5G相对于4G其接入和服务区域没有限制，其传输速率不会有太大的提高，它将成为真正的无线世界。

（1）超密集异构网络部署

为应对未来持续增长的数据业务需求，5G网络的架构将从传统的移动蜂窝方式转向分布式的、异构的新型通信方式，网络种类繁多。密集组网下的LTE-B异构网络部署场景如图1所示，小区的部署更加密集，单个小区的覆盖范围大大缩小。如图1中，将Macro作为网络的基石，Pico-cell，Femtocell和Relay等低功率基站则用来消除只有Macrocell时的覆盖盲区，能有效分担宏蜂窝的负担，提供低时延、高可靠的用户体验。然而，此种架构会引发严重的干扰问题。产生干扰的原因有用户自定义部署，封闭的接入方式，不同设备发送功率的差异等。层内层间干扰越来越复杂，因此需要进行有效的干扰管理和干扰协调抑制。3GPP提出了ICIC标准，从功率控制、时域和频域3个层面来减轻密集网络带来的干扰。而5G网络可以多网并存，可能存在多小区协作。而且，频谱资源越来越稀缺，可能没有足够多的频段可以进行分配，所以未来提出的干扰消除方法应该尽可能的提高资源效率。5G网络中拟研究的内容有：1）密集多小区场景时基于干扰协调的干扰消除方法。2）密集多小区场景时能量与频谱高效协作的波束成形方法。通过超密集异构部署提升容量，是目前最直观的方法，也是国内外各研究组织重点研究对象。

图1密集组网下的LTE-B异构部署场景

（2）D2D通信

目前，社交网络、本地广告等应用的流行使得人们对近距离数据通信的需求逐渐增加。然而，目前的蜂窝系统存在覆盖、容量和功耗等方面的问题（特别是在近距离本地通信业务中），并且缺乏足够的灵活性，难以完全满足不同业务在实时性和可靠性方面的独特需求。因此，在5G中研究D2D（devicetodevice）通信很有必要。D2D通信作为5G关键技术之一，对蜂窝通信起到必不可少的支撑和补充作用，能够实现大幅度的无线数据流量增长、降低功耗、增强实时性和可靠性。D2D通信是一种短距离通信，能够实现数据在终端间的直接传输。蜂窝网中的D2D通信示意如图2所示。

D2D的通信特点在节省资源、减小干扰、提升传输效率、降低传输成本等

方面有巨大优势。3GPP拟定的D2D技术白皮书对D2D的通信控制、干扰协调、资源分配、功率控制等一些关键技术有比较深入地研究。但5G中仍有一些待解决的问题：

1）D2D通信的无线资源管理问题：何时启用D2D通信模式，D2D通信如何与蜂窝通信共享资源，是采用正交的方式，还是复用的方式，是复用系统的上行还是下行资源，这些问题都增加了D2D辅助通信系统资源调度的复杂性和对用户的干扰，直接影响到用户体验。

2）实时性和可靠性问题。在5G网络中，通信时延和可靠性将是评价通信性能好坏的指标之一。在D2D通信过程中，如何根据用户需求和服务类型满足设备之间通信的实时性和可靠性，是D2D技术中的研究内容之一。

3）干扰抑制问题。为了解决多小区D2D通信的干扰抑制问题，在合理分配资源前需要对全局信道状态信息（CSI）有准确的了解。目前的基站协作技术虽然可以实现这个功能，但是还存在着精确度与能耗等方面的问题，需要找到一个既能适用于支持D2D多小区通信资源分配，又可以达到节省能耗的基站协作技术方案。

图4蜂窝网中的D2D通信

（3）大规模MIMO。MIMO系统，即发送端和接收端均放置多个天线，形成MIMO通信链路。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。现有4G网络的8端口多用户MIMO不能满足频谱效率和能量效率的数量级提升需求，而大规模MIMO系统可以显著提高频谱效率和能量效率。而5G中具有颠覆性的潜力，它有以下特点。

1）在节点方面，它是一项可扩展技术。4G在许多方面不可扩展，因为方位定向天线的空间有限，并且传播时角度扩散是不可避免的，也就是说天线数量与设备数量必须相匹配。然而，通过上行导频采用时分双工进行信道估计，大规模MIMO中基站天线数量没有限制。

2）能促使新的部署和架构产生。尽管人们可以设想直接用低增益谐振天线阵列替代宏基站，但是其他部署也是有可能的，如在农村地区的水箱表面或摩天大楼的外墙部署共形天线阵列。

大规模MIMO虽然潜力巨大，从实现的角度来看，大规模MIMO可以通过每个低成本、低功耗天线模块的半自治功能实现，但仍需相当大的努力，以证明该解决方案的成本效益。

（4）绿色通信。智能化的引入，能够在保障用户体验的前提下为异构网络的部署提供节能的解决方案。统计结果表明，信息和通信技术产业占全球能源消耗的

10%，而在无线网络中，基站的能源消耗占网络全部能耗的50%以上，因此绿色通信必定是5G的研究方向，也是重中之重。要实现绿色通信，首先要降低单个基站的能耗；其次，要从网络调度入手，使网络可以根据服务区内用户业务量的变化，动态地进行资源调度及功率控制；再者，就是要优化网络部署及网络拓扑结构。在5G中需要继续深入研究以下2个问题。1）网络能量高效的传输机制。

2）以业务为中心的网络资源动态分配。

三、结语

总之，在移动互联网和物联网的强劲推动下，5G时代正向我们走近，高流量、低时延、高智能、低能耗的5G无线技术及新型网络成为技术研究方向，5G的研究和发展对提高我国在信息领域的国际地位，带动相关产业的全面发展具有重要的意义。

参考文献：

[1]尤肖虎，潘志文，高西奇等，5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学：信息科学，2014（5）：551-563