5G無線通信技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

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【摘要】隨著時(shí)代的大邁步前進(jìn)，移動通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，由3G到4G，再到新興起的5g，技術(shù)的進(jìn)步對人們的生活以及工作有著非常大的影響。互聯(lián)網(wǎng)用戶逐年遞增，使得現(xiàn)代移動信息數(shù)據(jù)的需求愈加龐大，促使5G技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】5G；無線通信；頻率

1引言

移動通信系統(tǒng)每一次更新?lián)Q代都有顛覆性技術(shù)引領(lǐng)，每一次更新?lián)Q代都解決了當(dāng)時(shí)的最主要需求，1G時(shí)代最主要的需求是系統(tǒng)容量，采用模擬蜂窩加上FDMA技術(shù)。1G時(shí)代的特點(diǎn)：以頻率復(fù)用為基礎(chǔ)，以頻帶劃分小區(qū)；頻率受限，需要嚴(yán)格的頻率規(guī)劃；以頻道區(qū)分用戶地址。2G時(shí)代最主要的需求是高質(zhì)量的話音業(yè)務(wù)以及系統(tǒng)的容量問題，采用數(shù)字化技術(shù)與TDMA技術(shù)，如數(shù)字語音編碼技術(shù)，是2G移動通信的主要突破，TDMA技術(shù)使得每個(gè)用戶占用一個(gè)時(shí)隙，提高系統(tǒng)容量。3G時(shí)代最主要的需求是多媒體業(yè)務(wù)以及系統(tǒng)容量，采用Turbo碼和CDMA技術(shù)，Turbo碼在3G的應(yīng)用，使得3G能夠支持多媒體業(yè)務(wù)，打破了2G只支持話音和短消息業(yè)務(wù)的局限，CDMA使得每個(gè)用戶使用一個(gè)碼型，頻率/時(shí)間共享。到4G時(shí)代最主要的需求是高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)以及更大的系統(tǒng)容量，采用OFDM-MIMO+空分多址SDMA技術(shù)，MIMO有效地實(shí)現(xiàn)了新的空域的開發(fā)，使得頻譜效率得到更多的提高；比之CDMA，OFDM傳送數(shù)據(jù)的速度更快，可以更好地實(shí)現(xiàn)在無線傳輸環(huán)境中的多徑效應(yīng)。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)用戶日益增多，移動通信技術(shù)面臨著容量不足，能耗高且用戶體驗(yàn)不足等問題，成為促使5G技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的主要推動力。

25G移動通信技術(shù)需解決的主要問題

移動通信技術(shù)的發(fā)展歷程顯示，容量不足從始至終就是無線通信技術(shù)進(jìn)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(guān)機(jī)構(gòu)的預(yù)測，在未來智能終端的普及與通信數(shù)據(jù)增加，會使得移動通信業(yè)務(wù)量每年以將1倍的速度增加，將來十年數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量會比之現(xiàn)在增長一千倍。巨大的容量增長，對未來移動通信技術(shù)的發(fā)展提出了非常大的挑戰(zhàn)，5G時(shí)代的開啟迫在眉睫。

3針對主要問題的應(yīng)對方案

若想實(shí)現(xiàn)千倍的容量增長需求，可以在頻譜數(shù)量，頻譜效率以及基站的數(shù)量上采取應(yīng)對措施。實(shí)現(xiàn)更多的頻譜，更高效的頻譜效率或者更多的基站來實(shí)現(xiàn)對容量不足問題的解決。

3.1更多頻譜

新頻譜開發(fā)是以新頻譜電波特性的測量與建模為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，研究集中在較高的頻段，在更小小區(qū)更為適用。比如在6~15GHz頻段，這個(gè)頻段的空間隔離性較好；60GHz毫米波，這個(gè)頻段的頻寬較高，但是沒有較好的穿透性；頻譜共享能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜的智能使用等。頻譜共享技術(shù)指的是運(yùn)營商內(nèi)RAT間頻譜共享、運(yùn)營商間頻譜共享、免授權(quán)頻段共享、次級接入頻譜共享。但是新頻譜開發(fā)也面臨著諸多挑戰(zhàn)，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(jìn)行靜態(tài)頻段的分配，已有的頻譜已經(jīng)被分配完畢。傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜分配存在著以下幾個(gè)問題：①現(xiàn)有的頻譜使用并不均衡；②有著時(shí)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(shí)現(xiàn)動態(tài)頻譜，改變舊有分配頻段的約束，與時(shí)-頻-空多維頻譜的動態(tài)分配相結(jié)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(shí)現(xiàn)最大程度的頻譜利用。具體要實(shí)現(xiàn)，要從政策監(jiān)管部門、設(shè)備制造商以及電信運(yùn)營商三個(gè)方面入手：頻譜分配政策由固定分配與行政指派向動態(tài)頻譜分配政策轉(zhuǎn)變，頻譜管理將更加智能與靈活，設(shè)備認(rèn)證管理及非法設(shè)備核查能力提升，需要克服政策的阻礙，與相關(guān)部門同心協(xié)力，打造更完善的通信監(jiān)管政策。對已有的核心網(wǎng)、接入網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行升級更新以便能夠支撐識別等新的應(yīng)用功能，擴(kuò)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(fā)研究等還必須有設(shè)備制造商的大力支持。智能、高效協(xié)調(diào)授權(quán)的靜態(tài)頻譜和動態(tài)分配的頻譜使用，對具備動態(tài)頻譜功能的終端設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入過程的有效管理和控制還需要電信運(yùn)營商的鼎力協(xié)助，因此開發(fā)新頻譜是一個(gè)任重道遠(yuǎn)的任務(wù)。

3.1.1高頻段信號傳輸和關(guān)鍵技術(shù)

移動通信傳統(tǒng)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(xiàn)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(wǎng)絡(luò)速度，提升用戶體驗(yàn)?？梢岳酶哳l實(shí)現(xiàn)蜂窩接入，實(shí)現(xiàn)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(guān)鍵技術(shù)、以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與組網(wǎng)技術(shù)的方案實(shí)現(xiàn)高頻段信號傳輸。

3.1.2靈活頻譜共享技術(shù)

靈活頻譜共享技術(shù)是一種新的頻譜使用方法，讓多個(gè)系統(tǒng)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(huán)境檢測、動態(tài)頻率分配以及干擾管理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)靈活頻譜共享技術(shù)。

3.2更高頻譜效率

①多址技術(shù)是移動通信系統(tǒng)升級換代的核心之一，是單一資源到多維資源聯(lián)合使用，提高資源利用率的大勢所趨。②無線傳輸新技術(shù)的研發(fā)，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(shù)

該技術(shù)是利用發(fā)送端與接收端的聯(lián)合設(shè)計(jì)，在發(fā)送端使用功率/空間/編碼等多種信號域的單獨(dú)或是聯(lián)合非正交特征圖樣進(jìn)行其用戶的辨別，在接收端采用SIC方式完成準(zhǔn)最優(yōu)的用戶檢測。非正交多址接入技術(shù)對于大容量持續(xù)業(yè)務(wù)信道，使系統(tǒng)整體頻譜效率提升1~2倍；對于大容量隨機(jī)突發(fā)業(yè)務(wù)，縮短數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延并提升用戶接入體驗(yàn)。

3.2.2電磁渦旋無線傳輸技術(shù)

無線傳輸?shù)拿浇槭请姶挪?，而新的電磁波物理特性的利用可能帶來無線通信的時(shí)代變革。電磁渦旋波可由調(diào)制后攜帶信息的普通波通過波束扭轉(zhuǎn)方法得到，將電磁渦旋波恢復(fù)為普通調(diào)制信號的過程可以理解為“逆渦旋”，由此產(chǎn)生了電磁渦旋波，將電磁渦旋應(yīng)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(yàn)，證明了其無線傳輸技術(shù)的可行性。但是該技術(shù)對方向性以及傳播環(huán)境有著嚴(yán)格的要求。

3.3更多基站

3.3.1大規(guī)模天線技術(shù)

當(dāng)基站側(cè)天線數(shù)比用戶天線數(shù)大出很多，基站到各個(gè)用戶的信道就會接近于正交狀態(tài)。同時(shí)，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(gè)用戶的信噪比，從而能夠在相同的時(shí)頻資源共同調(diào)度更多用戶?？梢酝ㄟ^建立面向異構(gòu)和密集組網(wǎng)的massiveMIMO網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架與組網(wǎng)方案，采用MassiveMIMO物理層關(guān)鍵技術(shù)、大規(guī)模有源陣列天線技術(shù)以及大規(guī)模天線與高頻段的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模天線技術(shù)，適用于城區(qū)宏覆蓋、高層建筑、室內(nèi)外熱點(diǎn)等應(yīng)用。

3.3.2超密集組網(wǎng)技術(shù)

超密集組網(wǎng)技術(shù)是利用使小基站的密度增加，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中引入超大規(guī)模低功率節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)熱點(diǎn)性能、完善網(wǎng)絡(luò)覆蓋、增加通信系統(tǒng)的容量。通過建立5G高密度消去的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)干擾管理、連接管理、移動性管理等技術(shù)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(jié)束語

5G移動通信技術(shù)是目前最為前沿的技術(shù)，在國內(nèi)乃至世界都有著非常高的應(yīng)用價(jià)值，5G無線通信技術(shù)具有兼容性好以及速率快等優(yōu)點(diǎn)，在WIFI通信技術(shù)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。并且5G的高兼容性以及高安全性，令其在網(wǎng)上支付領(lǐng)域有著廣闊的前景，在目前的無線支付領(lǐng)域，產(chǎn)生了概念型產(chǎn)品，最有代表性的就是比特幣，其是P2P模式下出現(xiàn)的一類虛擬貨幣，利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有效地實(shí)現(xiàn)其交易行為，5G在其領(lǐng)域會得到非常有效的應(yīng)用。本文就5G移動通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的探討，總結(jié)了目前5G技術(shù)面臨的主要問題和巨大挑戰(zhàn)，并對其相應(yīng)的解決方案和技術(shù)進(jìn)行分析，希望能對目前全世界關(guān)注的5G移動通信技術(shù)做一些貢獻(xiàn)，促進(jìn)5G移動通信技術(shù)的進(jìn)步與廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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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