移動(dòng)通信5G進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)析論文
摘要：闡述了5G的基本概念及其基本性能指標(biāo)，在現(xiàn)有移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合市場(chǎng)需求，探討了5G在全球以及在我國(guó)的現(xiàn)狀。通過(guò)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)研究過(guò)程中所面臨問(wèn)題的分析，指出了其在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和在萬(wàn)物互聯(lián)方面所具有的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵字：5G；移動(dòng)通信；互聯(lián)網(wǎng)
1前言
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的更高速、更便捷、更便宜成為人們追求的目標(biāo)。因此全球?qū)τ诘谖宕苿?dòng)通信技術(shù)（5G）的研發(fā)正逐步升溫。4G最高可以達(dá)到100Mbps的上網(wǎng)速率，而5G可達(dá)到1Gbps。與4G相比，5G網(wǎng)絡(luò)更能滿(mǎn)足人們對(duì)高傳輸速率的要求。同時(shí)，第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在傳輸過(guò)程中還體現(xiàn)出短時(shí)延、低功耗、高可靠等特點(diǎn)。目前全球很多國(guó)家都已經(jīng)開(kāi)展了5G研發(fā)，在前不久結(jié)束的世界移動(dòng)通信大會(huì)上中國(guó)以及其他國(guó)家共19家通信運(yùn)營(yíng)商和多家通信設(shè)備廠也都加入研[1]究5G網(wǎng)絡(luò)的隊(duì)伍，全球5G市場(chǎng)正逐漸開(kāi)啟。
2第五代移動(dòng)通信進(jìn)展概述
對(duì)于第五代移動(dòng)通信技術(shù)，目前業(yè)界尚無(wú)清晰而明確的定義。2015年2月11日，IMT-2020（5G）推進(jìn)組在北京召開(kāi)的5G概念白皮書(shū)發(fā)布會(huì)中，宣布迫切需要盡快制定全球統(tǒng)一的5G標(biāo)準(zhǔn)以及確定統(tǒng)一的5G概念。根據(jù)5G關(guān)鍵能力與核心技術(shù)，第五代移動(dòng)通信技術(shù)的概念由標(biāo)志性能指標(biāo)和一組核心關(guān)鍵技術(shù)來(lái)共同定義。其中Gbps用戶(hù)體驗(yàn)速率為標(biāo)志性能指標(biāo)，一組關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模天線陣列、超[2]密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
2.1主要性能指標(biāo)
可以用以下幾個(gè)主要的性能指標(biāo)來(lái)描述5G。（1）數(shù)據(jù)速率將不少于1Gbps最是基本要求目前4G/LTE的傳輸速率達(dá)到100Mbps，而5G的速率將會(huì)達(dá)到每秒1Gbps。如果用4G網(wǎng)絡(luò)下載一個(gè)視頻耗時(shí)1分鐘，則5G下載一部高清畫(huà)質(zhì)視頻只需1秒鐘。如果利用手機(jī)或平板上在線觀看4k視頻或?qū)?lái)的8k視頻，5G下行速度為其提供了保障。（2）特大的通信容量在每平方公里的地理范圍內(nèi)，無(wú)線移動(dòng)寬帶系統(tǒng)的容量比目前4G/LTE增長(zhǎng)1000倍，平均每平方公里地理范圍內(nèi)的連接數(shù)將不小于一百萬(wàn)個(gè)。（3）無(wú)線延遲時(shí)間要求小于一毫秒兩部手機(jī)連接的時(shí)間在3G網(wǎng)絡(luò)下為500ms，而4G網(wǎng)絡(luò)則需要50ms。然而多數(shù)瞬時(shí)無(wú)線應(yīng)用的時(shí)間延遲不能多于一毫秒，比如5G的應(yīng)用于無(wú)人駕駛、汽車(chē)行駛中時(shí)，當(dāng)向無(wú)人駕駛發(fā)送緊急指令時(shí)，延遲時(shí)間如果多一毫秒，可能就會(huì)有危險(xiǎn)。因此未來(lái)的網(wǎng)路延遲時(shí)間應(yīng)小[3]于一毫秒。（4）可支持的最大移動(dòng)速度為500km/h4G支持的最大移動(dòng)速率為350km/h，當(dāng)以每小時(shí)500公里速度移動(dòng)時(shí)，5G服務(wù)可保證信號(hào)切換不中斷。
2.25G發(fā)展現(xiàn)狀
從通信業(yè)的發(fā)展軌跡看，網(wǎng)絡(luò)換代的時(shí)間越來(lái)越短。1G、2G、3G、4G的更換間隔時(shí)間分別為為12年、10年、8年，而從4G到5G，預(yù)計(jì)只有6年。目前世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)展5G的研究工作并制定了相應(yīng)的研究和發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃，中國(guó)、韓國(guó)、日本、美國(guó)、歐盟都在投入大量資源研發(fā)第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在這兩年內(nèi)世界各國(guó)也就5G進(jìn)行廣泛的研討。5G研發(fā)進(jìn)展飛快，且多個(gè)國(guó)家對(duì)5G的研究都初見(jiàn)成效。歐盟于2014年1月正式推出“5GPPP”（5GPublic-PrivatePartnership）計(jì)劃，預(yù)投入數(shù)十億歐元開(kāi)發(fā)5G技術(shù)，并在2022年正式投入運(yùn)營(yíng)。三星電子有限公司在2013年已成功開(kāi)發(fā)5G核心技術(shù)，并宣布預(yù)計(jì)將于2020年開(kāi)始推廣商用。韓國(guó)科學(xué)和未來(lái)規(guī)劃部在2014年1月宣布建立“未來(lái)通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”，預(yù)算1.6萬(wàn)萬(wàn)億韓元用于5G的研究，希望在2018年平昌奧運(yùn)會(huì)上首次試演5G應(yīng)用。日本于2013年10月創(chuàng)建了5G研究組，該研究組已經(jīng)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了初步探討。2014年5月8日，日本多個(gè)運(yùn)營(yíng)商共同合作，開(kāi)始測(cè)試高速5G網(wǎng)絡(luò)，并預(yù)計(jì)在2020年開(kāi)始運(yùn)作。美國(guó)Verizon無(wú)線公司在2015年9月7日宣布，將從明年開(kāi)始試用第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，兩年后在美國(guó)部分城市進(jìn)[4]行商用。2015年9月28日，第五次中歐經(jīng)貿(mào)高層對(duì)話(huà)會(huì)上，我國(guó)與歐盟在第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議。會(huì)議再次強(qiáng)調(diào)于2020年實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)商用的目標(biāo)，再次推動(dòng)了5G技術(shù)的發(fā)展。中國(guó)的5G研究的時(shí)間推進(jìn)表中表示，在明年啟動(dòng)第五代移動(dòng)通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)研究，預(yù)計(jì)在三年內(nèi)完成第一個(gè)版本的標(biāo)準(zhǔn)，把商業(yè)應(yīng)用的起步時(shí)間確定為2020年。中國(guó)移動(dòng)、華為、大唐電信、中興通訊等企業(yè)現(xiàn)正投入大量的精力研發(fā)5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
35G網(wǎng)路前景分析
3.15G在我國(guó)前景
雖然目前5G還處在實(shí)驗(yàn)階段，真正商用還要經(jīng)過(guò)幾年的時(shí)間，但是5G已經(jīng)成為ICT領(lǐng)域的熱點(diǎn)名詞。我國(guó)在通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域經(jīng)歷了第一代空白、第二代跟隨、第三代突破、第四代同步、第五代力爭(zhēng)取得主導(dǎo)地位的加速發(fā)展。3G、4G時(shí)代呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)的局面在5G情況下是不會(huì)出現(xiàn)的，5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一。我國(guó)移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)取得一定成績(jī)，在5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定工作中也起到重要作用，需要我國(guó)企業(yè)在5G網(wǎng)絡(luò)方面進(jìn)一步發(fā)力，爭(zhēng)取中國(guó)5G標(biāo)準(zhǔn)能成為世界5G標(biāo)準(zhǔn)。
3.25G三大空口技術(shù)
第三代移動(dòng)通信的空口技術(shù)是CDMA，第四代移動(dòng)通信的空口技術(shù)是OFDM，而當(dāng)進(jìn)入第五代移動(dòng)通信時(shí)代時(shí)，應(yīng)用更加繁榮，對(duì)空口技術(shù)要求也更加靈活，因此空口技術(shù)的復(fù)雜多樣性和應(yīng)變能力變得尤為重要。一個(gè)空口必須滿(mǎn)足超高清視頻要求的每秒1G的帶寬、無(wú)人駕駛要求的小于1毫秒時(shí)延、每平方公里物聯(lián)網(wǎng)傳感器幾十萬(wàn)的連接數(shù)等業(yè)務(wù)。而濾波正交波形頻分復(fù)用（FilteredOFDM，F(xiàn)-OFDM）與稀疏碼多址技術(shù)（SparseCodeMultipleAccess，SCMA）可作為第五代無(wú)線通信技術(shù)動(dòng)態(tài)空口的基礎(chǔ)。（1）F-OFDM無(wú)線通信的基礎(chǔ)波形技術(shù)F-OFDM是基于子帶濾波的OFDM，能夠滿(mǎn)足5G需求的波形技術(shù)。其能滿(mǎn)足5G原理是首先先將系統(tǒng)帶寬劃分若干子帶，通過(guò)優(yōu)化濾波器，把不同帶寬的子波之間的保護(hù)頻帶做到一個(gè)子波帶寬，每種子帶根據(jù)業(yè)務(wù)需求配置不同的波形參數(shù)。支持空口參數(shù)配置自動(dòng)適應(yīng)5G不同業(yè)務(wù)。（2）SCMA無(wú)線通信的稀疏碼多址接入技術(shù)通過(guò)F-OFDM已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在頻域和時(shí)域的資源復(fù)用，為了進(jìn)一步提高頻譜效率，還可以通過(guò)空域和碼域的復(fù)用來(lái)改進(jìn)。SCMA有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：第一個(gè)是低密度擴(kuò)頻，即把單個(gè)子載波擴(kuò)頻成4個(gè)子載波，然后這4個(gè)子載波由6個(gè)用戶(hù)共享，用戶(hù)數(shù)據(jù)只占用了其中2個(gè)子載波，剩余2個(gè)空子載波。這就是SCMA中Sparse（稀疏）的含義。第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是高維調(diào)制，傳統(tǒng)的波形調(diào)制只有幅度和相位兩維，同樣，高維調(diào)制技術(shù)調(diào)制的也是相位和幅度，但是最終使多用戶(hù)的星座點(diǎn)之間歐氏距離拉得更遠(yuǎn)，大大提高了用戶(hù)的'解調(diào)和抗干擾性能。每個(gè)用戶(hù)使用高維調(diào)制的數(shù)據(jù)稀疏碼本，而每個(gè)用戶(hù)的碼本系統(tǒng)有記錄，這樣在不正交的情況下，就可以把不同用戶(hù)最終解調(diào)出來(lái)。SCMA通過(guò)引入碼域的多址，調(diào)整了稀疏度，并提高了頻譜效率，最終頻譜效率可以提升多倍。（3）PolarCode高性能糾錯(cuò)碼技術(shù)信道編碼技術(shù)的主要目的是能夠可靠的傳遞數(shù)字信號(hào)。信道編碼技術(shù)是在發(fā)送信息序列的同時(shí)增加額外的校驗(yàn)比特，并在收端采用一定的譯碼技術(shù)，使傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的差錯(cuò)以較高的概率進(jìn)行糾正，從而正確接收發(fā)送的信息。過(guò)去所采用的多種糾錯(cuò)碼技術(shù)如RS碼、卷積碼、Turbo碼等都未能達(dá)到香農(nóng)極限。在2008首次提出的極化碼是第一種能夠被嚴(yán)格證明可達(dá)到信道容量的信道編碼方法。Polar碼具有簡(jiǎn)單明確的編碼及譯碼算法，所能達(dá)到的[5]糾錯(cuò)性已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)Turbo碼、LDPC碼。
3.35G未來(lái)應(yīng)用
5G的應(yīng)用不僅僅是上網(wǎng)、打電話(huà)，還可以實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)、各行各業(yè)的信息相互結(jié)合。如智慧城市、智能交通、工業(yè)自動(dòng)化等等，這意味著5G標(biāo)準(zhǔn)不僅僅只與移動(dòng)通信行業(yè)有關(guān)。人們通過(guò)高科技可以達(dá)到“所想即所得”的水平。農(nóng)民不需要到田里，只需打開(kāi)手機(jī)通過(guò)田間攝像頭就可以隨時(shí)查看農(nóng)作物病害和蟲(chóng)害信息以及田間水量和養(yǎng)分等情況。如果農(nóng)民種植過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以把田間的情況通過(guò)發(fā)送視頻給遠(yuǎn)方專(zhuān)家，直接等待回復(fù)。當(dāng)在用手機(jī)看足球比賽的直播時(shí)，賽場(chǎng)周?chē)惭b了大量高清攝像頭，視頻信號(hào)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)從遙遠(yuǎn)的球場(chǎng)瞬間傳到手機(jī)或平板上，只需用手指隨意劃動(dòng)屏幕，畫(huà)面就會(huì)隨著手指的移動(dòng)而發(fā)生變化，就可以享受觀看全方位的比賽。
3.45G面臨問(wèn)題
5G雖然在未來(lái)幾年就會(huì)被商用，但仍有許多問(wèn)題有待解決。（１）5G網(wǎng)絡(luò)的主要問(wèn)題依然是技術(shù)問(wèn)題目前的4G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)仍存在著許多問(wèn)題，如果問(wèn)題不解決勢(shì)必影響5G的普及。比如信號(hào)受障礙物影響較大，在偏遠(yuǎn)的山區(qū)網(wǎng)絡(luò)還未普及，在地鐵站、地下室、圖書(shū)館以及火車(chē)車(chē)廂等人群密集的場(chǎng)所，存在覆蓋不到或信號(hào)差等問(wèn)題。（２）手機(jī)存儲(chǔ)讀寫(xiě)速度問(wèn)題人們很容易忽視掉現(xiàn)有的手機(jī)存儲(chǔ)芯片的寫(xiě)入速度根本無(wú)法達(dá)到5G網(wǎng)絡(luò)需要的速度，即使5G網(wǎng)絡(luò)被商用，也會(huì)因?yàn)槭謾C(jī)讀寫(xiě)速度受到限制，人們體驗(yàn)不到其在速度上的優(yōu)勢(shì)。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的時(shí)代，5G將支持更打范圍的信息服務(wù)互聯(lián)和應(yīng)用，除個(gè)人消費(fèi)業(yè)務(wù)外，還可以滿(mǎn)足更多的企業(yè)和社會(huì)需求�？梢灶A(yù)測(cè)，5G虛擬現(xiàn)實(shí)、5G智能車(chē)聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程遙控、緊急救援等領(lǐng)域，將可借助5G技術(shù)得到推廣。
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