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5G移动通信发展趋势和关键技术

前言:

移动通信技术由于具有建设成本低、使用方便等多方面优势,已经在各个领域得到了广泛应用。从第一代移动通信技术的研发到目前使用的4G技术,仅仅经历了40多年的时间,而且5G技术的时代也即将到来,移动通信服务水平将再次得到质的提升。应积极关注于5G移动通信的发展趋势,推动其关键技术的研究和发展。

一、5G移动通信发展现状

5G移动通信即第五代移动通信标准的简称,从2G到3G、从3G到4G,移动通信技术的每一次升级换代,都会在通信技术能力方面取得飞跃式的突破。5G移动通信技术作为4G技术的延伸,目前已进入关键技术试验阶段,距离大范围投入使用已经不再遥远。关于5G移动通信技术的早期研究,可以追溯到华为企业2009年时提出的概念,在后续几年时间里,华为向世界展示了5G基站原型机,并于2013年11月宣布预投资6亿美元进行5G技术的创新研发,预言在2020年时用户可以享受到高达20Gbps速率的5G移动网络服务。随时时间的临近,5G移动通信技术也即将成为现实。韩国的三星电子有限公司、日本的电信营运商NTTDoCoMo等,也走在了5G移动通信技术研究的前列。从国际上的5G移动通信技术的研究情况来看,诺基亚与BellCanada合作研发的5G网络技术在测试时数据传输速率达到加拿大现有4G网络传输速率的6倍,韩国三星公司研发的5G通信技术数据传输速率预计能够达到韩国现有4G技术的100倍以上。英国研发的5G网络每秒数据传输速率125GB,是现有4G网络的6.5万倍。目前各国都处于试验研究阶段,多国已经预言5G技术将在2020年真正实现运行。我国在5G移动通信技术的研发方面也处于世界领先地位,工信部已经明确5G技术是未来移动通信技术发展的主要方向,预计数据传输速率将比现有4G技术提高10倍左右。虽然目前4G通信技术还保持主导地位,但在未来的1到2年内,5G技术将迎来爆发式增长,在各个领域投入使用。

二、5G移动通信发展趋势

在5G移动通信技术的快速发展过程中,研究重点主要集中于5G基站的建设及数据传输速率的提升等方面。首先,作为新一代移动通信技术,5G将在现有4G技术的基础上,考虑更多无线覆盖的服务状况,综合用户体验、传输时延等方面的要求,通过进一步提升信号传输速率,在用户“无感”的情况下完成数据传输任务。预计在5G移动网络下,下载一部电影仅需要1秒钟的时间,用户再也不用等待电影刷新,盯着屏幕上的小光圈发呆。这主要是由于在5G技术的支持下,移动信号传输速率以及资源利用效率将得到大幅度的提升,可以在计算机技术、网络技术等的配合下,优化网络服务功能。其次,5G移动通信技术的研发,将拓展通信技术应用领域,满足海量传感设备运行需求,优化设备工作性能,支持实际生产活动的开展。在5G移动通信技术的应用下,可以利用其自感知和自调节功能,保证移动网络运行状态良好,持续稳定的为用户提供服务。这对许多对通信质量有较高要求的社会生产领域,无疑是一次根本性的技术创新,可以帮助这些生产领域摆脱对有线通信网络的依赖,真正发挥网络化管理的优势。再次,5G移动通信也对移动通信服务的细节展开了深入研究,能够针对不同用户的特点,提供不同的技术解决方案,在有限的资源投入水平下,最大化的提升通信效率和通信质量。比如通过探索多点、多天线、多小区、多用户的写作组网方式,从总体架构设计上进行优化,提高系统的实践应用水平。在室内无线网络覆盖方面,也可以采用与有线网络、光纤网络相结合的形式,充分满足用户的实际需求。最后,5G网络的应用还可以实现根据业务流量的实际情况,调节网络资源,提高网络资源利用率。在此情况下,也能够帮助移动运营商降低运营成本,集中资源扩大5G网络的覆盖范围。因此,在未来1到2年时间内,5G网络将得到快速发展,逐渐从技术试验阶段过渡到实际应用阶段,让更多普通人享受到5G网络带来的便利。

三、5G移动通信的关键技术分析

(一)MIMO技术的研究与应用

从上述分析来看,相比于现有的4G技术,5G移动通信技术在传输速率、传输时延、资源利用率等方面的指标都会取得明显提升。并且能够为移动网络运行的安全性和稳定性提供保障。其中,多天线(MIMO)技术的应用是网络系统运行稳定性的重要保障,而且能够显著提升5G移动通信技术的数据传输速率。MIMO技术目前已经在无线通信领域得到了较为广泛的领域,通过增加天线数量,提高系统稳定性和运行效率。但是在天线数量的增加过程中,其技术处理过程也较为复杂,而且会增加占地面积。比如在一个LTE系统中,一般只能采用4根天线进行信号收发,采用MIMO技术可以应用8根天线,并为系统运行的稳定性提供保障。MIMO技术为多天线系统配置提供了具体的技术解决方案。在大规模的MIMO系统中,基站甚至可以配置上百根天线,保证平均数量级在2个左右。如此多的天线数量,能够同时满足多个用户的通信需求。在其配置过程中,则将所有天线全部集中于基站统一设置,形成MIMO体系。在此情况下,能够提升5G通信系统分辨率,节约空间资源占用,保证基站的空间自由度,为基站的布置灵活性提供保证。

(二)自组网技术的研究与应用

在传统移动通信网络的部署过程中,运行维护工作主要依靠人工完成。在大范围应用5G移动通信技术时,需要的人力资源规模非常大。而且通信系统的运行维护成本占比非常高,一般能够达到70%左右,这也会限制5G技术的大范围应用。自组织网络技术的应用,可以解决5G网络部署方面的难题,帮助5G工程降低对人力资源的依赖,同时可以减少人为失误的影响,提高组网水平。在5G网络的组间过程中,基站布设具有较高的技术复杂性,在运行维护管理方面也存在较大难度。而且5G移动通信网络中包含许多异构网络,节点非常复杂。利用自组网技术,也可以解决5G网络建设过程中的技术性问题,提高系统自配效率,并对网络组织结构进行自动优化。比如低功率节点对邻区关系会产生一定影响,导致其自身结构更加复杂,可以利用自组网技术对超密集网络进行处理,随机部署切入点,提高系统自配效率,降低对邻区关系的影响。

(三)多载波技术的研究与应用

多载波技术是5G移动通信的关键实现技术之一,在降低系统复杂度、提高系统信号抗多径衰落等方面有突出的应用优势。多载波器技术使用包含多个滤波器的滤波器组,其特点是峰均较高,频谱应用率较低,而且载波智能在同频中进行应用。为了优化5G移动通信技术的信息传输效率,确保宽带频率保持在1GHz以上,需要处理低频段不能满足频率标准的问题。比如目前863计划是多载波技术在5G移动通信中具有代表性的应用项目。通过对多载波技术应用情况进行具体分析,借助多载波技术的优势,以发送端传输为依托,实现滤波器合成,从而对多载波进行统一的调节和控制。在此基础上,结合实际应用情况,设立设计滤波器冲击响应能力,使其达到5G应用标准。在设计滤波器的冲击响应能力时,需要改变滤波容易产生相交干涉的现象,在传输系统中不需要安装循环后缀,从而保证5G网络的高效运行。此外,在多载波技术的应用基础上,通过合理设置子载波重叠程度和宽带频率等,可有效提高5G网络资源利用率。

(四)新网络架构技术的研究与应用

在5G移动通信网络的组间过程中,也需要利用到许多新型网络结构技术。比如上述提到的超密集异构网络技术,需要形成多层次异构密集网络,支持含量接入的应用场景。保证5G通信网络能够给用户带来1000倍流量的应用场景体验。这需要减小网络节点小区覆盖半径,增加节点数量,降低发射功率。具体可采用有线回传技术等,简化程序,节约资源,充分发挥5G技术优势。还有软件定义网络(SDN)、网络功能虚拟化(NFV)等,都是5G移动通信组网中的重要技术。通过采用软件定义网络方式,可以使网络架构更加开放、灵活,而且具有可编程性,为组网设计提供方便。在软件化和虚拟化的设计思想下,可实现数据与控制分离,优化网络结构,满足5G移动通信网络的组网需求。在此情况下,可以在控制器上进行网络控制,打破现有无线网络的封闭现象,提高网络互通性,为资源优化调配奠定基础。

(五)网络兼容与切换技术的研究与应用

在5G移动通信正式投入使用后,也需要将4G网络和Wifi网络等融入其中。需要采用服务质量(QOS)服务机制,对各种网络的信号质量进行判断,自动选择最佳的移动网络连接方式,并实现无线站点之间的无缝切换,从而最大化的满足用户实际使用需求,为用户带来较好的移动网络使用体验。在移动通信过程中,空中接口主要利用无线技术传递信息,关键指标包括吞吐率、无线传输实效性、系统智能化程度等。通过应用网络兼容与切换技术,可以提升这些方面的综合指标,从而优化用户的应用体验。

四、结束语

综上所述,5G移动通信已经进入到关键技术试验阶段,即将正式投入商业应用。通过对5G移动通信技术的发展趋势进行研究,可以更详细的了解其发展动态,并明确5G技术实现的关键技术,为相关研究工作提供参考。

作者:王宏武 单位:中兴通讯股份有限公司天津分公司

 

  发布时间:2019/6/12 17:06:10  阅读人次