浅谈5G通信技术

摘 要：随着移动通信技术的不断发展，每一次的更新变革都为我们的生活与工作带来了巨大的促进。本文通过当前互联网环境对新一代移动通信技术的需求分析，介绍了 5G 移动通信技术现阶段的成熟技术，并对5G 移动通信技术在未来的应用进行了简单推测。

关键词：5G；移动通信技术

一、简介

通信技术的变更日新月异，在4G通信技术发展地如火如荼的时候，5G已渐渐走进人们的视野。第五代移动电话行动通信标准，简称5G，也叫做第五代移动通信技术。

2013年5月13日，韩国三星电子有限公司宣布，已成功研发第5代移动通信的核心技术，可以在28GHz频段以大于每秒1Gbps的速度传输数据，并且传输距离长达2公里。然而，目前使用的第四代长期演进（4GLTE）服务的传输速率仅为75Mbps。

现代移动通信技术自诞生起一直改变着我们的生活。从只能支持模拟语音信号通信的1G，到开启数字蜂窝通信的2G，再到普及移动终端上网需求的3G，最后是现在，模糊了有线与无线传输边界的4G时代。可以预计的是，到了5G时代，人与物都将成为互联网矩阵中的上的一个节点，相互交换数据，合为一个大数据网络。这将从根本上改变我们的生活方式，也将颠覆现阶段的生产方式。

二、需求

移动互联网和物联网的高速发展是 5G 移动通信的主要驱动力。移动互联网将会超越固定互联网成为用户体验的第一平台， 现有互联网的多数业务也将逐渐由固网转变为通过无线方式提供服务，云计算及后台服务的广泛应用将对 5G 移动通信系统提出更高的数据传输要求。而物联网则要求5G 网络提供海量的连接。所以当前5G 的主要技术正是对应这两大驱动力设计的。

三、技术

下面简单阐述5G技术对移动互联网和物联网需求的回应

（1）毫米波（millimeter waves）：现今的移动网络大多工作在低频段。低频段优点是传播性能好，而缺点就是连续频率资源有限，意味着对每个用户而言可使用带宽少，从而引发更慢的移动服务和更多的连接中断。无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右，因此载波频率越大，可实现的信号带宽也越大。在毫米波频段中，60GHz频段每个信道的可用信号带宽则到了2GHz。相比而言，4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下，而可用频谱带宽只有100MHz。因此，如果使用毫米波频段，频谱带宽和传输速率可以提升数倍。毫米波频段的另一个特性是在空气中衰减较大，且绕射能力较弱。因此当5G无线信号在覆盖室内用户的时候，可以有效避免信号干扰。

（2）小基站（small cells）：为了克服毫米波在空气中衰减大，导致室外传播性能差的特点，5G通信系统将使用小基站技术。这种小基站比传统基站小很多，更易安装，更少的电量运行需求，每隔250米设置一个。一个城市需要大量小基站组成密集网络以保障不中断的通信连接。这种密集部署方式可以使得同一频率在同一地区相隔较远的不同基站同时使用，也就意味着频率重复利用率大幅度提高，有效地节省了频段资源。

（3）大规模天线技术（massive MIMO）： 4G基站有十几个天线端口用于处理所有移动流量。而5G基站则具有几百个天线端口。这使得一个基站能够同时向更多用户发送和接受信号，从而大幅度提高网络容量，并避免由深度衰落引起的时延。

（4）波束成形技术（Beamforming）：传统通信方式是基站与终端间单天线到单天线的电磁波传播，而在波束成形技术中，基站端配合大规模天线技术，可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在终端接收点形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的。同时，大规模天线的基站还可以同时瞄准多个用户，构造朝向多个目标客户的不同波束，并有效减小各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波，也避免了大规模天线信号的交汇干扰。

（5）全双工模式技术：当前4G基站和手机的射频收发器在同一频率上必须交互发射或接受数据信号（TDD模式），或者是在不同频率上同时发射和接受数据信号（FDD模式）。5G的射频收发器则能够在同一频率上同时发射和接受数据信号，即全双工模式。它将在最基本的物理层上使无线网络容量增倍。

四、应用

2016年3月，中国工信部表示：5G是新一代移动通信技术发展的主要方向，是未来新一代信息基础设施的重要组成部分。与4G相比，不仅将进一步提升用户的网络体验，同时还将满足未来万物互联的应用需求。

随着以上技术的逐步投入应用，5G将为无线通信带来更快的下载速度，更强的室内覆盖能力，更大容量的应用接入，更低延迟的用户体验。以下简单介绍5G通信技术在不久未来的具体应用。

（1）更快的传输速度。高速率的数据上传下载将支持4k及以上级别的实时播放。大量的数据处理将在云端完成，作为终端的手机和平板，甚至个人电脑只需起到输入输出的作用，大大节省了资源。

（2）更强的室内覆盖能力和更大容量的应用接入。极强的信号覆盖能力将引发现有通信设备接入标准的质变，终端接入容量的提升使得人与物、物与物的联系变得更加容易。基于这两点，可以预见物联网将实现快速的进步和爆发。

（3）更低延迟和更可靠的用户体验。5G将大大提升AR、VR等虛拟现实技术的用户体验，这会是对远程医疗手术、自动驾驶、工业控制等技术的极大促进，相应的产业生产方式会有巨大改变。

五、结语

5G 移动通信发展是全球移动通信领域新一轮技术竞争的开始。欧盟已明确表示希望确立全球统一的5G技术标准，而不再是多种标准并存。5G技术与未来的物联网产业息息相关，蕴含着巨大的经济和战略利益，因此各国都希望能在技术标准上占据主导权，都早早进行了相应的技术研发和布局。力争在未来 5G 技术与商业竞争中的获得领先优势，更已成为我国信息技术与产业未来发展最为重要的任务之一。随着研究的不断深入，5G 关键技术已逐渐明确。期待在不久的将来，越来越多的生活和生产方式会因5G技术而发生翻天覆地的变化。

参考文献：

[1]尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术.中国科学：信息科学，2014：44（5）.

[2]METIS.Mobile and wireless communications enablers for the 2020 information society.In：EU 7th FrameworkProgramme Project， https：//www.metis2020.com.