5G移动通信应用与无线关键技术研究

姜海洋

【摘要】移动通信从第一代发展到第五代实现了从模拟到数字、语音到数据、移动互联网到移动物联网的演进。相比上一代移动通信网，5G通过在空口、传输、网络等方面各种关键技术的突破，具有更高的速率、更大的容量、更低的时延，同时安全性、可靠性更高，面向移动宽带和移动物联等应用，满足各类细分业务场景的性能指标要求，构建起人、网、物联通的高速、移动、安全、泛在的新一代信息社会。

【关键词】5G移动通信;应用;无线;关键技术

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                    DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.22.014

5G无线网络信息技术，通过全体工作人员的不懈努力，必然会以更加成熟和完善的状态，完全取代以往传统的信息科技，成为未来通讯技术发展的重要方向。未来必然将会是由5G科技引领的全新智能时代，我国的信息通信领域，也必然会因为5G技术的实现，而进入一个崭新的里程。

1. 5G无线通信技术的含义

5G是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。

作为新一代移动通信技术，其网络架构、无线技術、应用场景都有了巨大的改变，有大量技术被整合在其中，5G的关键技术包括：灵活的网络架构、超密集异构无线网络、MassiveMIMO（大规模多输入多输出）、毫米波通信、SDN（软件定义网络）和NFV（网络功能虚拟化）等。

与4G相比，5G可以提供小于1ms的端到端时延以及99.9999%的可靠性，极大丰富了网络应用场景。下面详细介绍5G无线通信系统关键性技术。

2. 5G无线通信技术的特点

2.1 5G技术具备极强的创新性

5G技术其最显著的特点就是它具有超强的创新性能。该项技术采用了多载波分子操作方式，同时利用先进的数字化平台，突破了传统的通讯条件限制，增强了网络对于各项数据和编码程序的有效识别能力，拓展了数据信息的输送渠道，改善了网络通讯的质量。使室内网络连接的效果得到了有效提升，改善了以往其他通讯技术室内网络不够通畅的缺陷，使用户无论在室内还是在室外，都能够享受到良好的通讯质量。

2.2 5G网络具备极高的利用频率

5G技术采用了高频率的赫兹，并且运用结合了信息规划的模式，彻底实现了信息科技的改革与调整。在网络科技运行的时候，它能够迅速完成对于各种数据信息的汇总，假使遇到被接收的信息强度过高，超出预定的标准范围，5G系统就会自动汇报给服务总台，然后经过平台自动分析，再决定系统是否需要进行自动更新。

2.3 5G网络所需要的成本更低

5G通信技术由于其网速快，容量大，安全性能高等特点，一经出现，便引起社会各界的广泛关注。在具体的运行程序中，5G技术首先通过不同的信息通道，设置完成相应的网络渠道，以降低通道堵塞的概率，保障信息传输的稳定性。其次通过其极强的信息识别能力，将网络内流通的信息自动划分成不同等级，并对其中指定的内容进行加强保护，以确保网络信息的安全性。此外，由于5G技术充分地利用了各种最新的科技能源，有效地降低了其使用成本，从而达到了提高通讯企业经济收益的最终目的。

3. 5G关键技术与实现

3.1 无线空口

灵活的参数配置：相比于4G，5G子载波间隔在15kHz的基础上采用2u扩展（?=0，1，2，3，4），使物理层资源在时域和频域上具有多种不同大小的粒度，可支持多种信道带宽、满足多样的应用和部署需求，另一方面有利于不同参数集波形的共存、实现灵活调度。

5G上下行均可采用CP-OFDM波形，支持多层传输，从而支持更高的传输速率和资源利用率。

新型信道编码：5G采用了在性能上接近或“达到”Shannon极限，且复杂度较低易于实现的新型信道编码方案，如LDPC（LowDensityParityCode）码和极化码（PolarCode），与4G信道编码相比，具有更高的呑吐率、更低的处理时延。

NOMA：非正交多址接入（Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA）技术在功率域由单用户独占改为多用户共享，通过发送端功率复用和接收端串行干扰消除（SuccessiveInterferenceCancellation，SIC），使得系统吞吐量和频谱效率都得到了有效提高。

3.2 无线传输

新型调制编码：为达到更高的速率，5G采用更高阶的调制和编码策略（modulationandcodingscheme，MCS），根据信道信号与噪声和干扰的比值（SINR），采用链路自适应算法确定最佳调制编码方案，上下行最高支持256QAM调制方式，提高了峰值速率，进一步提升空口频谱效率。

MassiveMIMO：大规模天线技术采用大量收发信通道（TRX）以及大量高增益天线阵列实现信号水平和垂直方向的3D赋形，利用阵列增益和空间复用特性同时传输多路不同的数据，在保证不改变发射功率和频率资源的状态下，同时具备多天线赋形增益和多用户复用增益，在降低干扰、增强系统覆盖能力的同时，提高小区容量及边缘用户的传输速率，也提升了系统频谱效率和传输的可靠性，并且能耗并不会增加。

毫米波通信：相比于中低频段，毫米波可用带宽充足，天线体积小、增益较高，适合SmallCells、室内、固定无线和回传等场景部署。毫米波可以更好地与大规模MIMO结合，借助天线增益和先进的波束赋形技术显著地提高覆盖能力，从而在一定程度上补偿其高传输损耗，并成倍提升小区容量和峰值速率在提高网络部署密度的同时降低部署难度。

3.3 超密集异构无线网络技术

HetNet（异构网络）是指在宏蜂窝覆盖范围内部署低功率节点，通过“多样化的设备形态、差异化的覆盖方案、多频段组网方式”等实现分层立体网络。

近年来，随着科技的进步，集成电路产业迅猛发展，通信设备和用户终端的性能得到了极大的提升。通信技术与计算机技术结合的应用日益广泛，居民生活中已经运用无线接入技术来满足自身的信息获取需求。在5G时代，移动通信网络将是一种基于宏基站、微站与室分分层实现信号覆盖的集Wi-Fi（无线连接）、5G、LTE（长期演进）等多种网络制式于一身的多元化超密集异构网络。

为了实现负载均衡转移、提升网络吞吐量以及弥补单一宏基站覆盖导致的网络空洞，异构网络中融合了多个发射功率不同的节点。在超密集异构网络中，多种网络制式共存。立足于“多网协同”“低成本建设”原则，宏基站主要用于连续广域覆盖，完成网络的底层覆盖，是网络的中坚力量。微站和室分针对热点和盲点区域，进行补充覆盖，兼顾网络的覆盖和容量。

由于传统接入节点所具有的选择机制并不能满足多元通信制式的异构通信系统网络，因此急需对异构网络环境下的最优接入选择进行研究，如覆盖范围扩展机制、垂直切换机制等，其本质都是根据网络的复杂特点，在保证负载均衡和QoS（服务质量）需求的基础上，找到一个平衡点，最大效率使用网络资源，进一步实现降本增效。

3.4 MassiveMIMO和波束成形

波束成形是一种天线技术，主要原理是通过调整发射天线阵列形成的信号方向、相位和幅度，接收器使用不同的比例因子相干地组合接收到的信号，最大化提升接收信号的信噪比。天线阵列系统中的这种信噪比增益就是所谓的波束成形增益。

MassiveMIMO提高了传统MIMO系统的数据速率和容量，利用多个天线来实现复用增益。并行数据流通过多个天线传输以提高分集增益，增加接收器的信噪比来降低误码率，消除多用户系统中的同信道干扰。MassiveMIMO提供大量的自由度，可以使用波束成形增益来最小化衰落效应和传输能量。

采用多个数据流的波束成形，称为预编码，用于进一步提高毫米波通信系统的频谱效率。在传统的MIMO系统中，波束成形和预编码通常在数字域中实现，所有信号处理技术都在基带上执行。在数字波束成形中，每个天线都必须连接到至少一个射频链，这将会导致毫米波MassiveMIMO系统的复杂性和成本的增高。相比之下，混合波束成形采用具有较低射频链的模拟移相器，让系统在同等性能的条件下简化其复杂性和成本。使用混合波束成形，在数字域中，首先使用数字域中的数字预编码器对发射信号进行处理。在模拟域中，传统的模拟波束成形通常基于射频移相器构建，用于将信号输出到低复杂度的天线阵列。在接收方，以相反的顺序执行相同的过程。混合波束成形利用数字预编码和模拟波束成形方法在频谱、能源效率和硬件复杂性之间进行有效的平衡，以充分利用模拟波束成形和数字波束成形的潛在优势。

4. 后5G展望

未来，B5G及6G将以5G应用场景为基础，向速率维度、空间维度以及智慧维度等三维扩展。即通信速率由Gbit/s达到Tbit/s量级以上;通信空间由目前的陆地覆盖拓展至海洋、天空、太空场景下的多域和广域覆盖;通信智慧由目前单一设备的智能处理演进至多设备、多网络之间的协同跨域智能处理，并且从信息传输、处理及应用层面进一步加强和深化通信智慧。

与5G相比，6G要在大多数技术领域保持10～100倍的性能提升，即6G需要达到1Tbit/s的峰值速率，能为特定用例（如工业控制、自动驾驶）提供低于1ms的时延，拥有不高于十亿分之一错误位的高可靠传输能力，且可为海量物联网业务提供大于每平方公里107节点的连接密度。

6G将采用新型波形技术、多址接入技术、新型编码技术及无蜂窝大规模MIMO技术等先进的无线接入关键技术，探索更高频率太赫兹频段，实现全频谱应用;利用卫星、临近空间飞行器等拓展覆盖、构造天地融合全球泛在的通信网络。

当前，5G无线通信系统已经在我国社会各领域中广泛运用，但是在垂直行业方面的应用及基于5G的创新仍在探索中，未来5G将在各个领域持续推动创新。为推动5G应用向成熟阶段快速迈进，用于5G毫米波MIMO通信的混合波束成形收发器系统及绿色通信技术，将是持续关注的重点。

参考文献：

[1]姚蕴珍.5G无线通信技术概念分析及其应用研究[J].电子技术与软件工程，2019，15：35.

[2]黄德义.5G无线通信技术概念分析及其应用探讨[J].中国新通信，2018，2010：5.

[3]章灵芝.5G无线通信技术概念分析及其应用[J].计算机产品与流通，2019，12：58.