5G無線通信技術發展與應用

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【摘要】隨著時代的大邁步前進，移動通信技術得到了迅猛的發展，由3G到4G，再到新興起的5g，技術的進步對人們的生活以及工作有著非常大的影響。互聯網用戶逐年遞增，使得現代移動信息數據的需求愈加龐大，促使5G技術的快速發展和應用。

【關鍵詞】5G；無線通信；頻率

1引言

移動通信系統每一次更新換代都有顛覆性技術引領，每一次更新換代都解決了當時的最主要需求，1G時代最主要的需求是系統容量，采用模擬蜂窩加上FDMA技術。1G時代的特點：以頻率復用為基礎，以頻帶劃分小區；頻率受限，需要嚴格的頻率規劃；以頻道區分用戶地址。2G時代最主要的需求是高質量的話音業務以及系統的容量問題，采用數字化技術與TDMA技術，如數字語音編碼技術，是2G移動通信的主要突破，TDMA技術使得每個用戶占用一個時隙，提高系統容量。3G時代最主要的需求是多媒體業務以及系統容量，采用Turbo碼和CDMA技術，Turbo碼在3G的應用，使得3G能夠支持多媒體業務，打破了2G只支持話音和短消息業務的局限，CDMA使得每個用戶使用一個碼型，頻率/時間共享。到4G時代最主要的需求是高質量多媒體業務以及更大的系統容量，采用OFDM-MIMO+空分多址SDMA技術，MIMO有效地實現了新的空域的開發，使得頻譜效率得到更多的提高；比之CDMA，OFDM傳送數據的速度更快，可以更好地實現在無線傳輸環境中的多徑效應。當前互聯網用戶日益增多，移動通信技術面臨著容量不足，能耗高且用戶體驗不足等問題，成為促使5G技術發展進步的主要推動力。

25G移動通信技術需解決的主要問題

移動通信技術的發展歷程顯示，容量不足從始至終就是無線通信技術進步中的顯著問題，5G會遭遇更大的容量需求與頻譜赤字問題，按照相關機構的預測，在未來智能終端的普及與通信數據增加，會使得移動通信業務量每年以將1倍的速度增加，將來十年數據業務量會比之現在增長一千倍。巨大的容量增長，對未來移動通信技術的發展提出了非常大的挑戰，5G時代的開啟迫在眉睫。

3針對主要問題的應對方案

若想實現千倍的容量增長需求，可以在頻譜數量，頻譜效率以及基站的數量上采取應對措施。實現更多的頻譜，更高效的頻譜效率或者更多的基站來實現對容量不足問題的解決。

3.1更多頻譜

新頻譜開發是以新頻譜電波特性的測量與建模為基礎進行研究，研究集中在較高的頻段，在更小小區更為適用。比如在6~15GHz頻段，這個頻段的空間隔離性較好；60GHz毫米波，這個頻段的頻寬較高，但是沒有較好的穿透性；頻譜共享能夠實現頻譜的智能使用等。頻譜共享技術指的是運營商內RAT間頻譜共享、運營商間頻譜共享、免授權頻段共享、次級接入頻譜共享。但是新頻譜開發也面臨著諸多挑戰，主要來自舊有的頻譜分配造成的阻力，一般是利用行政分配或者采用拍賣的辦法，進行靜態頻段的分配，已有的頻譜已經被分配完畢。傳統的靜態頻譜分配存在著以下幾個問題：①現有的頻譜使用并不均衡；②有著時間、頻段以及空間的多維利用漏洞；③對于頻譜的利用率很低。為解決上述問題，要實現動態頻譜，改變舊有分配頻段的約束，與時-頻-空多維頻譜的動態分配相結合，推動頻譜資源利用的智能化，以便令頻譜的利用更加的高效率，實現最大程度的頻譜利用。具體要實現，要從政策監管部門、設備制造商以及電信運營商三個方面入手：頻譜分配政策由固定分配與行政指派向動態頻譜分配政策轉變，頻譜管理將更加智能與靈活，設備認證管理及非法設備核查能力提升，需要克服政策的阻礙，與相關部門同心協力，打造更完善的通信監管政策。對已有的核心網、接入網設備進行升級更新以便能夠支撐識別等新的應用功能，擴展終端以及基站的射頻模塊的工作頻段，高性能的濾波器的開發研究等還必須有設備制造商的大力支持。智能、高效協調授權的靜態頻譜和動態分配的頻譜使用，對具備動態頻譜功能的終端設備進行網絡接入過程的有效管理和控制還需要電信運營商的鼎力協助，因此開發新頻譜是一個任重道遠的任務。

3.1.1高頻段信號傳輸和關鍵技術

移動通信傳統工作頻段十分擁擠，而大于6GHz的高頻段可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張現狀，可以支持極高速短距離通信。非常大的帶寬資源，能夠有效地提高網絡速度，提升用戶體驗。可以利用高頻實現蜂窩接入，實現基站和基站之間的回傳等。采用高頻段傳播特性、信道測量與建模、高頻段的射頻和天線關鍵技術、以及網絡架構與組網技術的方案實現高頻段信號傳輸。

3.1.2靈活頻譜共享技術

靈活頻譜共享技術是一種新的頻譜使用方法，讓多個系統共享使用特定頻譜，改變了以往固定頻譜分配的方式，能夠有效地拓展IMT可用頻譜約一倍。采用無線環境檢測、動態頻率分配以及干擾管理等技術實現靈活頻譜共享技術。

3.2更高頻譜效率

①多址技術是移動通信系統升級換代的核心之一，是單一資源到多維資源聯合使用，提高資源利用率的大勢所趨。②無線傳輸新技術的研發，是獲得更高頻譜效率的有效手段。

3.2.1非正交多址接入技術

該技術是利用發送端與接收端的聯合設計，在發送端使用功率/空間/編碼等多種信號域的單獨或是聯合非正交特征圖樣進行其用戶的辨別，在接收端采用SIC方式完成準最優的用戶檢測。非正交多址接入技術對于大容量持續業務信道，使系統整體頻譜效率提升1~2倍；對于大容量隨機突發業務，縮短數據包傳輸時延并提升用戶接入體驗。

3.2.2電磁渦旋無線傳輸技術

無線傳輸的媒介是電磁波，而新的電磁波物理特性的利用可能帶來無線通信的時代變革。電磁渦旋波可由調制后攜帶信息的普通波通過波束扭轉方法得到，將電磁渦旋波恢復為普通調制信號的過程可以理解為“逆渦旋”，由此產生了電磁渦旋波，將電磁渦旋應用于無線通信，由瑞典物理研究所得BoThide教授于2011年采用拋物面天線與八木天線試驗，證明了其無線傳輸技術的可行性。但是該技術對方向性以及傳播環境有著嚴格的要求。

3.3更多基站

3.3.1大規模天線技術

當基站側天線數比用戶天線數大出很多，基站到各個用戶的信道就會接近于正交狀態。同時，通信用戶之間干擾會接近于無，而巨大的陣列增益將能夠有效地提升每個用戶的信噪比，從而能夠在相同的時頻資源共同調度更多用戶。可以通過建立面向異構和密集組網的massiveMIMO網絡構架與組網方案，采用MassiveMIMO物理層關鍵技術、大規模有源陣列天線技術以及大規模天線與高頻段的結合來實現大規模天線技術，適用于城區宏覆蓋、高層建筑、室內外熱點等應用。

3.3.2超密集組網技術

超密集組網技術是利用使小基站的密度增加，在異構網絡中引入超大規模低功率節點增強熱點性能、完善網絡覆蓋、增加通信系統的容量。通過建立5G高密度消去的網絡架構，實現干擾管理、連接管理、移動性管理等技術方案，適用于購物中心、公寓、體育場、密集住宅、辦公室、地鐵等場所。

4結束語

5G移動通信技術是目前最為前沿的技術，在國內乃至世界都有著非常高的應用價值，5G無線通信技術具有兼容性好以及速率快等優點，在WIFI通信技術等領域有著非常廣泛的應用。并且5G的高兼容性以及高安全性，令其在網上支付領域有著廣闊的前景，在目前的無線支付領域，產生了概念型產品，最有代表性的就是比特幣，其是P2P模式下出現的一類虛擬貨幣，利用網絡節點有效地實現其交易行為，5G在其領域會得到非常有效的應用。本文就5G移動通信技術的發展與應用進行了詳細的探討，總結了目前5G技術面臨的主要問題和巨大挑戰，并對其相應的解決方案和技術進行分析，希望能對目前全世界關注的5G移動通信技術做一些貢獻，促進5G移動通信技術的進步與廣泛應用。

參考文獻

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[3]秦樊.5G無線通信技術應用前景[J].中國新通信，2019，21（04）：7.

作者：謝雪婉 張有興 陳煜華 單位：中國鐵塔股份有限公司中山市分公司