談5G時代移動通信技術(shù)發(fā)展進程
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【摘要】文章通過對歷代移動通信技術(shù)特點的對比，分析總結(jié)了移動通信技術(shù)的技術(shù)的發(fā)展規(guī)律及驅(qū)動力，并結(jié)合當(dāng)前5g網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，研究了下一代及未來移動通信的發(fā)展趨勢。
【關(guān)鍵字】移動通信；發(fā)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(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照，至此移動通信網(wǎng)正式邁入第五代。從第一代（1G移動通信）發(fā)展到第五代移動通信（5G）經(jīng)過了30多年，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字、語音到數(shù)據(jù)的演進，網(wǎng)絡(luò)速率千萬倍增長。回顧其發(fā)展進程及技術(shù)特點如下。
一、移動通信發(fā)展歷程
（1）第一代移動通信（1G）是模擬蜂窩系統(tǒng)，實現(xiàn)了人類真正意義上的移動通信。其主要特點是采用頻分復(fù)用（FDMA）模擬制式，語音信號為模擬調(diào)制；由于采用了蜂窩結(jié)構(gòu)，頻率可以重復(fù)利用，通過小區(qū)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(tǒng)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(yè)務(wù)，且存在制式多、互不兼容、不能提供自動漫游、通話質(zhì)量不高、保密性差等問題。（2）第二代移動通信（2G）是窄帶數(shù)字蜂窩系統(tǒng)，提供數(shù)字化的話音業(yè)務(wù)及低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是當(dāng)今移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。采用信道編譯碼與數(shù)字調(diào)制解調(diào)等數(shù)字電路技術(shù)，克服了模擬移動通信系統(tǒng)的弱點，話音質(zhì)量、保密性能得到很大提高，支持多種業(yè)務(wù)服務(wù)，并可進行省內(nèi)、省際自動漫游；由于采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)，其系統(tǒng)的容量增加、干擾減小，并且可以以較低的速率14.4kb/s實現(xiàn)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(yè)務(wù)需求的增加和數(shù)據(jù)速率的提高，2G移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)范圍有限、速率不足的弱點突顯。2.5G（GPRS、IS-95B）和2.75G（EDGE）技術(shù)的引入使移動通信和互聯(lián)網(wǎng)有機結(jié)合，理論數(shù)據(jù)傳送速率提高到115/384kbit/s，初步具備了支持多媒體業(yè)務(wù)的能力，可以發(fā)送圖片、收發(fā)電子郵件等。但第二代通信系統(tǒng)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(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)速率較低，QoS能力有限，無法承載高速、寬帶的數(shù)據(jù)傳輸，因而無法實現(xiàn)真正意義上的多媒體業(yè)務(wù)需求，而且各國采用的2G標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，無法實現(xiàn)全球漫游。（3）第三代移動通信（3G）為中速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的實現(xiàn)和質(zhì)量提供了保證。采用Turbo信道編譯碼及擴頻調(diào)制解調(diào)等技術(shù)，解決了中速業(yè)務(wù)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性問題。3G移動通信系統(tǒng)采用更先進的寬帶碼分多址技術(shù)，并在更高頻段使用更大的系統(tǒng)帶寬進行數(shù)據(jù)發(fā)送，因而其數(shù)據(jù)傳輸速率、頻譜利用率得到進一步提升，傳輸?shù)姆€(wěn)定性大大提高，使大數(shù)據(jù)的傳送更為普遍，能夠達到高速車載環(huán)境下384kb/s、低速或靜止?fàn)顟B(tài)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(yè)務(wù)，并向多媒體化、個性化、智能化、分組化方向發(fā)展。因此3G被視為是順應(yīng)移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，開啟了移動通信新紀(jì)元。第三代移動通信系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)移動通信業(yè)務(wù)高速發(fā)展的需要。（4）第四代移動通信（4G）即寬帶數(shù)據(jù)移動通信技術(shù)，解決了移動通信高速業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性問題。采用逼近香農(nóng)極限的信道編譯碼技術(shù)，信道編譯碼的性能發(fā)展到接近極限。4G移動通信系統(tǒng)是全IP網(wǎng)絡(luò)，基于扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，在3G的長期演進（LTE）基礎(chǔ)上進行升級。LTE系統(tǒng)采用正交頻分多址（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）等關(guān)鍵技術(shù)，以提供更高的頻譜利用率，滿足市場對高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)等新需求，上/下行峰值速率達到50Mbps/100Mbps。在LTE的基礎(chǔ)上進一步采用了載波聚合（CA）、中繼和多點協(xié)同傳輸（CoMP）技術(shù)，獲得更大的頻譜帶寬從而提升速率且提升了小區(qū)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(shù)（LTE-A）。4G網(wǎng)絡(luò)作為新一代通信技術(shù)相比于3G技術(shù)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(wǎng)速度是3G的50倍，同時還具有兼容性更好，可實現(xiàn)使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)全球漫游等優(yōu)勢，是集中多媒體、可視化和數(shù)字化于一身的技術(shù)，通過高速的數(shù)據(jù)傳輸在人與網(wǎng)絡(luò)之間、人與人之間實現(xiàn)聯(lián)通，至此人類真正步入高速互聯(lián)網(wǎng)時代。
二、第五代移動通信系統(tǒng)
第五代移動通信（5G）是4G技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸，是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)。信道編譯碼技術(shù)接近或“達到”香農(nóng)極限。5G網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)，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(shù)中，多載波技術(shù)的引入極大地提升頻譜效率、系統(tǒng)容量及信號傳輸質(zhì)量，基于大規(guī)模多入多出（MassiveMIM0）技術(shù)的5G移動通信網(wǎng)絡(luò)，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(yè)務(wù)場景。在其增強移動寬帶(eMBB)場景，提供極高的數(shù)據(jù)速率、低時延通信和極端的覆蓋能力；支持不同設(shè)備可以在同一時間傳輸大量的數(shù)據(jù)；可以應(yīng)用在VR和AR還有社交網(wǎng)絡(luò)上，給用戶帶來更好的體驗。為提供極高的速率，5G網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)核心區(qū)域的無縫覆蓋和熱點區(qū)域高速率數(shù)據(jù)傳輸。5G通信通過新的編碼方式（LDPC碼、Polar碼）、多址技術(shù)（F-OFDM）及各種關(guān)鍵技術(shù)的突破，滿足各類細分業(yè)務(wù)場景，由移動互聯(lián)網(wǎng)向移動物聯(lián)網(wǎng)拓展，加速各垂直行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。5G網(wǎng)絡(luò)朝更加開放式、虛擬化的方向發(fā)展，相比4G前網(wǎng)絡(luò)以人的通信為主，5G致力于人、網(wǎng)、物之間實現(xiàn)聯(lián)通，構(gòu)建起高速、移動、安全、泛在的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施，使人類社會進入萬物互聯(lián)的新時代。從移動通信的發(fā)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(shù)據(jù)需求和通信技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展推動了移動通信的更新發(fā)展，不斷研究啟用更高的頻段帶來更大的帶寬，大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù)得到更高的傳輸速度，接近極限的信道編譯碼技術(shù)，帶來更大的容量，先進的多址技術(shù)提升頻譜利用率。無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的兩大驅(qū)動力移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，將為5G后和未來移動通信發(fā)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(wǎng)絡(luò)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(wù)于智能社會的新一代蜂窩移動通信技術(shù)。
三、第六代移動通信系統(tǒng)及發(fā)展趨勢
2019年11月我國正式啟動6G技術(shù)研發(fā)工作。第六代移動通信系統(tǒng)是繼5G之后的下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)。相比于5G網(wǎng)絡(luò),6G至少具有超高的網(wǎng)絡(luò)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(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和微波網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。6G網(wǎng)絡(luò)不再以數(shù)據(jù)傳輸性能為主要關(guān)注目標(biāo),它將向空天地海外太空、全維度感知世界和網(wǎng)絡(luò)空間不斷延伸,能夠使網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)設(shè)施。6G白皮書提出的幾個關(guān)鍵指標(biāo)為：（1）峰值傳輸速度達到100Gbps-1Tbps，而5G僅為10Gbps；（2）室內(nèi)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(shè)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(wǎng)絡(luò)容量大幅提升。6G的大多數(shù)性能指標(biāo)相比5G將提升10到100倍。同時，6G將與人工智能、機器學(xué)習(xí)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(xiàn)實，智能程度大幅度躍升。6G將成為服務(wù)于智能社會的下一代移動通信系統(tǒng)。未來移動通信將以基礎(chǔ)信息理論突破作為起點,進入一個全新的發(fā)展空間和時代,網(wǎng)絡(luò)主體以“人—網(wǎng)—物—境”為中心“無人不互聯(lián)、無處不互聯(lián)、無時不互聯(lián)、無事不互聯(lián)”成為鮮明的網(wǎng)絡(luò)特征,6G改變?nèi)祟惪沙掷m(xù)發(fā)展的環(huán)境將成為最終目標(biāo)。
四、結(jié)束語
移動通信技術(shù)的發(fā)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(wǎng)絡(luò)與通信領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展的動力,也將是未來下一代移動通信發(fā)展努力的方向。如今5G已經(jīng)商用,6G離我們也并不遙遠。面向2020年及未來，規(guī)劃建設(shè)好5G網(wǎng)絡(luò)，滿足移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，將為移動通信帶來無限生機和新的技術(shù)挑戰(zhàn)，移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展將推動移動通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的新一輪變革。
參考文獻
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[2]陳亮，余少華，6G移動通信發(fā)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(guī)劃設(shè)計院有限公司