談5G時代移動通信技術發展進程
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【摘要】文章通過對歷代移動通信技術特點的對比，分析總結了移動通信技術的技術的發展規律及驅動力，并結合當前5g網絡建設，研究了下一代及未來移動通信的發展趨勢。
【關鍵字】移動通信；發展進程；5G；未來趨勢
2019年6月6日工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放5G商用牌照，至此移動通信網正式邁入第五代。從第一代（1G移動通信）發展到第五代移動通信（5G）經過了30多年，經歷了從模擬到數字、語音到數據的演進，網絡速率千萬倍增長?；仡櫰浒l展進程及技術特點如下。
一、移動通信發展歷程
（1）第一代移動通信（1G）是模擬蜂窩系統，實現了人類真正意義上的移動通信。其主要特點是采用頻分復用（FDMA）模擬制式，語音信號為模擬調制；由于采用了蜂窩結構，頻率可以重復利用，通過小區分裂，有效地控制干擾，提高了頻譜利用率，從而有效地提高了系統的容量。但由于1G采用模擬信號傳輸，傳輸速率僅為2.4kb/s,容量非常有限，一般只能傳輸話音信號，不能提供非話音業務，且存在制式多、互不兼容、不能提供自動漫游、通話質量不高、保密性差等問題。（2）第二代移動通信（2G）是窄帶數字蜂窩系統，提供數字化的話音業務及低速數據業務，是當今移動互聯網發展的基礎。采用信道編譯碼與數字調制解調等數字電路技術，克服了模擬移動通信系統的弱點，話音質量、保密性能得到很大提高，支持多種業務服務，并可進行省內、省際自動漫游；由于采用數字調制技術，其系統的容量增加、干擾減小，并且可以以較低的速率14.4kb/s實現文字信息的傳輸；采用時分多址和碼分多址方式，相對于1G進一步提高了頻譜利用率。隨著業務需求的增加和數據速率的提高，2G移動網絡業務范圍有限、速率不足的弱點突顯。2.5G（GPRS、IS-95B）和2.75G（EDGE）技術的引入使移動通信和互聯網有機結合，理論數據傳送速率提高到115/384kbit/s，初步具備了支持多媒體業務的能力，可以發送圖片、收發電子郵件等。但第二代通信系統采用電路交換的通信方式，最明顯的缺點就是無線資源被大量占用，數據承載業務速率較低，QoS能力有限，無法承載高速、寬帶的數據傳輸，因而無法實現真正意義上的多媒體業務需求，而且各國采用的2G標準不統一，無法實現全球漫游。（3）第三代移動通信（3G）為中速數據業務的實現和質量提供了保證。采用Turbo信道編譯碼及擴頻調制解調等技術，解決了中速業務信號傳輸的穩定性問題。3G移動通信系統采用更先進的寬帶碼分多址技術，并在更高頻段使用更大的系統帶寬進行數據發送，因而其數據傳輸速率、頻譜利用率得到進一步提升，傳輸的穩定性大大提高，使大數據的傳送更為普遍，能夠達到高速車載環境下384kb/s、低速或靜止狀態下2Mb/s的速率，是2G時代的140倍，因此可提供多樣化、個性化業務，并向多媒體化、個性化、智能化、分組化方向發展。因此3G被視為是順應移動互聯網的發展，開啟了移動通信新紀元。第三代移動通信系統的通信標準有WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA三大分支，存在互不兼容的問題，且3G的頻譜利用率還比較低，不能充分地利用寶貴的頻譜資源；3G支持的速率不夠高，遠遠不能適應移動通信業務高速發展的需要。（4）第四代移動通信（4G）即寬帶數據移動通信技術，解決了移動通信高速業務的穩定性問題。采用逼近香農極限的信道編譯碼技術，信道編譯碼的性能發展到接近極限。4G移動通信系統是全IP網絡，基于扁平化網絡架構設計，在3G的長期演進（LTE）基礎上進行升級。LTE系統采用正交頻分多址（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）等關鍵技術，以提供更高的頻譜利用率，滿足市場對高速數據業務、多媒體業務等新需求，上/下行峰值速率達到50Mbps/100Mbps。在LTE的基礎上進一步采用了載波聚合（CA）、中繼和多點協同傳輸（CoMP）技術，獲得更大的頻譜帶寬從而提升速率且提升了小區邊緣用戶的頻譜效率，使上/下行峰值速率達到500Mbps/1Gbps。其主要代表是時分雙工（TDD）/頻分雙工（FDD）的高級長期演進技術（LTE-A）。4G網絡作為新一代通信技術相比于3G技術來說，使用頻率更高、傳輸帶寬更寬，在傳輸速率上有著非常大的提升，理論上網速度是3G的50倍，同時還具有兼容性更好，可實現使用統一的標準全球漫游等優勢，是集中多媒體、可視化和數字化于一身的技術，通過高速的數據傳輸在人與網絡之間、人與人之間實現聯通，至此人類真正步入高速互聯網時代。
二、第五代移動通信系統
第五代移動通信（5G）是4G技術基礎上的延伸，是最新一代蜂窩移動通信技術。信道編譯碼技術接近或“達到”香農極限。5G網絡主要有三大特點：極高的速率、極大的容量和極低的時延。相對4G網絡，傳輸速率提升10～100倍，峰值傳輸速率達到20Gb/s，端到端時延達到ms級。在5G移動通信技術中，多載波技術的引入極大地提升頻譜效率、系統容量及信號傳輸質量，基于大規模多入多出（MassiveMIM0）技術的5G移動通信網絡，提升通信傳輸速度及頻譜效率的同時，安全性、可靠更高，并細分為增強移動寬帶(eMBB)、海量機器類通信(mMTC)、超高可靠低時延通信(uRLLC)三大主要業務場景。在其增強移動寬帶(eMBB)場景，提供極高的數據速率、低時延通信和極端的覆蓋能力；支持不同設備可以在同一時間傳輸大量的數據；可以應用在VR和AR還有社交網絡上，給用戶帶來更好的體驗。為提供極高的速率，5G網絡采用6GHz以下低頻段（FR1）和6-100GHz的高頻段（FR2）全頻譜接入，毫米波的引入帶來更寬的頻帶，低頻和高頻混合組網實現網絡核心區域的無縫覆蓋和熱點區域高速率數據傳輸。5G通信通過新的編碼方式（LDPC碼、Polar碼）、多址技術（F-OFDM）及各種關鍵技術的突破，滿足各類細分業務場景，由移動互聯網向移動物聯網拓展，加速各垂直行業的數字化轉型。5G網絡朝更加開放式、虛擬化的方向發展，相比4G前網絡以人的通信為主，5G致力于人、網、物之間實現聯通，構建起高速、移動、安全、泛在的新一代信息基礎設施，使人類社會進入萬物互聯的新時代。從移動通信的發展歷程可以看出總體趨勢是頻率越來越高，頻寬越來越大，傳輸速度越來越快，時延越來越小。正是高速移動數據需求和通信技術的創新發展推動了移動通信的更新發展，不斷研究啟用更高的頻段帶來更大的帶寬，大規模多輸入多輸出技術得到更高的傳輸速度，接近極限的信道編譯碼技術，帶來更大的容量，先進的多址技術提升頻譜利用率。無線數據業務發展的兩大驅動力移動互聯網和物聯網，將為5G后和未來移動通信發展提供廣闊的前景。5g滿足了地球上絕大部有人到達地的通信，但廣袤的人煙稀少地帶如沙漠、深海、遠洋、地下、空中及空間等移動通信，需要下一代網絡進一步擴大通信的廣度和深度，人類永無止境的需求呼喚服務于智能社會的新一代蜂窩移動通信技術。
三、第六代移動通信系統及發展趨勢
2019年11月我國正式啟動6G技術研發工作。第六代移動通信系統是繼5G之后的下一代移動通信網絡。相比于5G網絡,6G至少具有超高的網絡速率、超低的通信時延和更廣的覆蓋深度,將充分共享毫米波、太赫茲和光波等超高頻無線頻譜資源,融合地面移動通信、衛星互聯網和微波網絡等技術。6G網絡不再以數據傳輸性能為主要關注目標,它將向空天地海外太空、全維度感知世界和網絡空間不斷延伸,能夠使網絡更智能、更安全和更靈活,為人類提供無處不在、無時不在、無人不在和無事不在的信息基礎設施。6G白皮書提出的幾個關鍵指標為：（1）峰值傳輸速度達到100Gbps-1Tbps，而5G僅為10Gbps；（2）室內定位精度10厘米，室外1米，相比5G提高10倍；（3）通信時延0.1毫秒，是5G的十分之一；（4）超高可靠性，中斷幾率小于百萬分之一；（5）超高密度，連接設備密度達到每立方米過百個。此外，6G將采用太赫茲頻段通信，網絡容量大幅提升。6G的大多數性能指標相比5G將提升10到100倍。同時，6G將與人工智能、機器學習深度融合，智能傳感、智能定位，智能資源分配、智能接口切換等都將成為現實，智能程度大幅度躍升。6G將成為服務于智能社會的下一代移動通信系統。未來移動通信將以基礎信息理論突破作為起點,進入一個全新的發展空間和時代,網絡主體以“人—網—物—境”為中心“無人不互聯、無處不互聯、無時不互聯、無事不互聯”成為鮮明的網絡特征,6G改變人類可持續發展的環境將成為最終目標。
四、結束語
移動通信技術的發展激勵著人們對美好生活的向往,同樣,人類永無止境的需求是網絡與通信領域持續發展的動力,也將是未來下一代移動通信發展努力的方向。如今5G已經商用,6G離我們也并不遙遠。面向2020年及未來，規劃建設好5G網絡，滿足移動互聯網和物聯網應用需求，將為移動通信帶來無限生機和新的技術挑戰，移動互聯網和物聯網的進一步發展將推動移動通信技術和產業的新一輪變革。
參考文獻
[1]北大科技園創新研究院，5G產業發展現狀及趨勢淺析，科技中國，2019(4):11-3735/N
[2]陳亮，余少華，6G移動通信發展趨勢初探，光通信研究，2019(4):42-1266/TN
作者：何晶 單位：遼寧郵電規劃設計院有限公司