洪珂一　李嘉

摘要：互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，目前大力推行的4G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)5G悄然問世。該文對5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)狀，預(yù)測未來5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：5G；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）13-0022-02

從第一代網(wǎng)絡(luò)到第四代網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)的發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)越來越成熟，提供的功能越來越多。目前，廣泛使用的4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)的寬帶化，基本滿足了移動通信業(yè)務(wù)的發(fā)展。然而技術(shù)發(fā)展的腳步是永5不停止的，用戶的需求也是不斷變化的，社交網(wǎng)絡(luò)、云計算、車聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，要求網(wǎng)絡(luò)速率更高，安全更有保障，下一代通信網(wǎng)絡(luò)（簡稱5G）應(yīng)運(yùn)而生。目前，已在大量的技術(shù)人員和公司著手研究5G網(wǎng)絡(luò)，為促進(jìn)這一技術(shù)的快速發(fā)展，有必要分析5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，對5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行關(guān)注。

15G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)概述

第五代通信系統(tǒng)5G是未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，也是一種面向信息社會服務(wù)的無線通信系統(tǒng)。目前關(guān)于5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一，但是與5G相關(guān)的概念逐漸得到業(yè)界的認(rèn)可。早在2001年，日本NIIT公司就提出了5G的概念，以后在通信行業(yè)逐漸取得共識。2012年8月，我國舉辦國際通信大會，在會議上提出了關(guān)于5G的相關(guān)概念。雖然各個國家對5G的概念界定并不一致，但是可以肯定的是5G網(wǎng)絡(luò)融合了世界上最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在傳輸速率、覆蓋率和用戶體驗(yàn)方面都比4G網(wǎng)絡(luò)有很大的提升，5G網(wǎng)絡(luò)將是真正的無線網(wǎng)絡(luò)。

未來的5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的驅(qū)動來自于用戶的需求和網(wǎng)絡(luò)自身。用戶的需求包括網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度、無縫的用戶體驗(yàn)等；網(wǎng)絡(luò)自身的需求驅(qū)動包括實(shí)現(xiàn)靈活高效的系統(tǒng)架構(gòu)，自動化的運(yùn)維管理等方面。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅僅是關(guān)于無線接口的技術(shù)，更是未來的全面解決方案，除了能夠?yàn)橛脩籼峁└鞣N各樣的音頻、視頻等信息外，還能夠讓用戶輕松創(chuàng)建個人網(wǎng)絡(luò)，提供人與機(jī)器間的交互，完成車輛管理、家庭健康、報警監(jiān)視等方面的服務(wù)。在未來的5G網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營商不再局限于提供人與人之間的通信，還能提供人與物以及物與物之間的通信。

25G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

相比于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)能夠提供高可靠、低延時的通信，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍更廣泛，流量密度更大，速度更快，這些都需要一定的技術(shù)來保障。5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)很多，本文主要介紹高頻傳輸技術(shù)、多址技術(shù)以及多天線傳輸技術(shù)。

1）高頻傳輸技術(shù)

在目前的3G、4G移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，使用的頻段范圍基本上是在3GHZ以下。然而，伴隨著網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量的不斷增加，傳輸?shù)男畔①Y源也越來越多，對網(wǎng)絡(luò)流量的需求旺盛，現(xiàn)有的頻率資源自然不能滿足用戶的需求。而未來5G網(wǎng)絡(luò)將為用戶提供更快的帶寬服務(wù)，因此對頻率方面的要求將更高，有必要加強(qiáng)對高頻傳輸技術(shù)的研究。

根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，要實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的功能，至少要將目前頻譜的利用率提高至少10倍以上，在頻段范圍內(nèi)，隨著頻段值的不斷提高，應(yīng)該有相應(yīng)的技術(shù)解決方案。在高頻傳輸技術(shù)中，不但要求5G網(wǎng)絡(luò)能提高覆蓋率，還要達(dá)到環(huán)保的要求。利用充足數(shù)量的天線，提高無線網(wǎng)絡(luò)信號的抗干擾性能，使得不同用戶的使用不受影響。在5G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，使用高頻段技術(shù)雖然能夠解決覆蓋范圍的問題，但是在實(shí)際的應(yīng)用過程中，卻面臨著傳輸距離短、受天氣等自然環(huán)境影響大等許多問題，造成網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量下降。因此，如何克服這些問題，是5G網(wǎng)絡(luò)高頻傳輸技術(shù)的關(guān)鍵。

2）多址技術(shù)

第一代通信網(wǎng)絡(luò)采用FDMA技術(shù)，第二代網(wǎng)絡(luò)采用TDMA技術(shù)，第三代網(wǎng)絡(luò)采用CDMA技術(shù)，而第四代網(wǎng)絡(luò)采用0FDMA技術(shù)。盡管OFDMA技術(shù)已經(jīng)使得數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到千兆比特，但是隨著智能終端應(yīng)用的普及，無線傳輸?shù)乃俾食尸F(xiàn)指數(shù)級增長，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾嗜匀粷M足不了未來的應(yīng)用需求。5G網(wǎng)絡(luò)到底采用哪種多址技術(shù)，目前仍然是各方關(guān)注的焦點(diǎn)，比較流行的觀點(diǎn)是采用NOMA技術(shù)。

NOMA技術(shù)不同于一般的正交傳輸技術(shù)，它的最大優(yōu)勢在于接收機(jī)的復(fù)雜度有所提升，從而能夠獲得更高的頻譜效率。其工作原理是在發(fā)送端采用非正交發(fā)送，通過主動引入干擾信息，在接收端利用串行干擾刪除技術(shù)實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)。非正交傳輸?shù)幕舅枷胧抢脧?fù)雜的接收機(jī)設(shè)計來換取更高的頻譜效率，隨著芯片處理能力的增強(qiáng)，將使非正交傳輸技術(shù)在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。

3）多天線傳輸技術(shù)

所謂多天線就是增加5G網(wǎng)絡(luò)容量的技術(shù)，理論上增加一定的天線數(shù)量能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)容量提供很多倍。也就是說，在目前多天線的基礎(chǔ)上進(jìn)行增加天線，在數(shù)量上增加十根甚至數(shù)百根以上，形成一個獨(dú)立的空間數(shù)據(jù)流，來達(dá)到提高頻譜效率的目標(biāo)。對于頻譜使用效率提高的這個問題，通常是通過LSAS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，其原理是利用LSAS技術(shù)使得干擾抑制增益和陣列增益得到有效提升，從而使得相應(yīng)的邊緣頻譜和總頻譜效率也得到提升。除此之外，LSAS技術(shù)還可以劃分不同的空間位置，實(shí)現(xiàn)在同一空間對多個用戶進(jìn)行服務(wù)的功能。

另外一個比較火的是MIMO技術(shù)，大規(guī)模MIMO技術(shù)不僅能夠在不增加頻譜資源的情況下降低發(fā)射功率、減小小區(qū)內(nèi)以及小區(qū)間干擾，還能實(shí)現(xiàn)頻譜效率和功率效率在4G的基礎(chǔ)上再提升一個量級。

35G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)狀

5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合無線移動技術(shù)，形成了全新的通信網(wǎng)絡(luò)，目前，各產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、科研機(jī)構(gòu)和廠商都投入了對5G的研究，紛紛發(fā)布5G相關(guān)的白皮書。2014年12月，NGMN組織發(fā)布了5G白皮書，指出5G是一個端到端的生態(tài)系統(tǒng)，由多用戶、多設(shè)備、多層網(wǎng)絡(luò)、多種接入技術(shù)組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。2015年5月，IMT-2020網(wǎng)絡(luò)組發(fā)布了《5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)》的白皮書，確定SDN和NFV技術(shù)為實(shí)現(xiàn)5G新型設(shè)備平臺的基礎(chǔ)，提出了5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計原則。

2016年9月，歐盟委員會正式公布了5G行動計劃，制定了關(guān)于5G標(biāo)準(zhǔn)方面、頻率劃分和測試計劃表。根據(jù)該計劃，2017年3月開始對5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，2017年底前制定完整的5G網(wǎng)絡(luò)部署圖；2018年開始商用測試；2020年歐盟各成員國至少選擇一個城市提供5G服務(wù)；到2025年歐盟各成員國在公路、鐵路和主要城區(qū)提供5G服務(wù)。

2013年，中國成立了5G移動通信研究小組，致力于5G關(guān)鍵技術(shù)、頻譜方面的研究，加快融入國際5G的發(fā)展進(jìn)程。同年6月，啟動5G網(wǎng)絡(luò)的863計劃，重點(diǎn)對5G網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)、頻譜開發(fā)和無線傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。2017年2月，工業(yè)和信息化部共同發(fā)布《信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，明確了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施路徑和實(shí)施架構(gòu)，積極開展5G研發(fā)和產(chǎn)業(yè)推進(jìn)，為5G網(wǎng)絡(luò)的商用服務(wù)奠定基礎(chǔ)。與此同時，5G技術(shù)試驗(yàn)的室內(nèi)部分已完成，開始進(jìn)人室外試驗(yàn)階段。在北京懷柔規(guī)劃建立了全球最大的5G試驗(yàn)外場，建成了30個基站進(jìn)行組網(wǎng)性能測試。按照計劃安排，我國于2017年開展5G網(wǎng)絡(luò)的第二階段測試，2018年進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)組網(wǎng)，2019年啟動5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，爭取在2020年正式啟動5G網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)應(yīng)用。

45G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢

5G網(wǎng)絡(luò)的誕生主要是應(yīng)對未來更多的移動數(shù)據(jù)增長的新業(yè)務(wù)，世界各個國家在5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)、能效技術(shù)、頻段和發(fā)展前景方面進(jìn)行了研究。可以說，5G網(wǎng)絡(luò)在移動通信領(lǐng)域掀起了新一輪的市場競爭熱潮。5G網(wǎng)絡(luò)的空前發(fā)展給社會進(jìn)步帶來巨大的推動力。與4G網(wǎng)絡(luò)相比較，5G網(wǎng)絡(luò)在頻譜利用率、資源利用率、傳輸速率等方面都有顯著提高。

5G網(wǎng)絡(luò)作為新一代移動網(wǎng)絡(luò)將更加智能化，更加能夠滿足用戶流量方面的需求，同時具有自感知和自高速的優(yōu)點(diǎn)，也是下一代移動網(wǎng)絡(luò)的必然發(fā)展趨勢。從5G網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀來看，5G網(wǎng)絡(luò)今后將在以下三個方面重點(diǎn)發(fā)展：

1）頻譜

現(xiàn)在不同國家的無線頻譜區(qū)劃是存在一定的差異的，但隨著5G網(wǎng)絡(luò)走向商用，所有的頻譜將歸于5G。C-Band（3.5GHz）是5G首個全球統(tǒng)一的頻段，未來將用作城區(qū)主要容量層；毫米波段可以提供超大帶寬和容量，因此非常適合用于5G在熱點(diǎn)地區(qū)的容量提升、站點(diǎn)自回傳及家庭寬帶接入。而對于已經(jīng)被2G/3G/4G占用的頻譜，需要考慮如何轉(zhuǎn)換為5G并提供同樣優(yōu)秀的覆蓋范圍和質(zhì)量。

目前的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)大多使用低頻段頻譜資源，5G網(wǎng)絡(luò)將在頻率利用率方面有較大的改善，通過有線與無線技術(shù)的結(jié)合，采用光載無線組網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)來解決高頻無線電穿透力弱的問題，來獲得更多的頻譜資源，使得資源利用率相比于4G網(wǎng)絡(luò)至少提高10倍。

21新體系架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)定義了全新的業(yè)務(wù)指標(biāo)和豐富的業(yè)務(wù)場景，5G系統(tǒng)不能單純依靠空口技術(shù)換代和峰值速率提升，需要提供全新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，使得整修移動通信系統(tǒng)的吞吐率高出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的25倍。受制于目前4G網(wǎng)絡(luò)中心轉(zhuǎn)發(fā)和單一控制的限制，在5G網(wǎng)絡(luò)的多連接和高吞吐量的情況下，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)給造成更多的擁堵和過載風(fēng)險，這就要求5網(wǎng)絡(luò)控制功能將流量分布更加均衡，功能更加靈活。

5G網(wǎng)絡(luò)采用基于功能平面的體系框架設(shè)計，將傳統(tǒng)與網(wǎng)元綁定的網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行抽離和重組，重新劃分為3個功能平面，即接入平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面。網(wǎng)絡(luò)功能在平面內(nèi)聚合程度更高，平面間解藕更充分。其中，控制平面主要負(fù)責(zé)生成信令控制、網(wǎng)管指令和業(yè)務(wù)編排邏輯，接人平面和數(shù)據(jù)平面主要負(fù)責(zé)執(zhí)行控制命令，實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)流在接入網(wǎng)的接人與核心網(wǎng)內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)。

3）統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)人與人之間，人與物之間以及物與物之間的直接通信，要想實(shí)現(xiàn)這一互聯(lián)，沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是不可能完成的。所以，形成全球統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是5G網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展趨勢。全球統(tǒng)一技術(shù)能夠帶來很多好處，比如全球范圍內(nèi)的國際漫游，終端設(shè)備的低成本等。

2015年，ITU啟動5G國際標(biāo)準(zhǔn)制定的準(zhǔn)備工作，計劃在2018年底啟動SG技術(shù)評估及標(biāo)準(zhǔn)化，2020年底形成商用能力；IEEE通信學(xué)會也在積極探索5G標(biāo)準(zhǔn)化工作思路，深入開展5G技術(shù)研究；3GPP計劃在2018年輸出第一版的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，2019年完成面向商用的完備規(guī)范版本。

5結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展共同推動了移動通信網(wǎng)絡(luò)的不斷更新，當(dāng)4G系統(tǒng)不能滿足當(dāng)前新型移動通信業(yè)務(wù)的需要時，5G網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究工作開始啟動。目前關(guān)于5G網(wǎng)絡(luò)的研究還處于初級階段，隨著研究的不斷深入，5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景良好，移動通信網(wǎng)絡(luò)必將邁向一個新時代。