移動通信5G進展與關鍵技術簡析論文
摘要：闡述了5G的基本概念及其基本性能指標，在現(xiàn)有移動互聯(lián)網(wǎng)技術特點基礎上，結合市場需求，探討了5G在全球以及在我國的現(xiàn)狀。通過對5G網(wǎng)絡研究過程中所面臨問題的分析，指出了其在移動互聯(lián)網(wǎng)技術方面具有的獨特優(yōu)勢和在萬物互聯(lián)方面所具有的實用價值。
關鍵字：5G；移動通信；互聯(lián)網(wǎng)
1前言
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術突飛猛進的發(fā)展，移動互聯(lián)網(wǎng)的更高速、更便捷、更便宜成為人們追求的目標。因此全球?qū)τ诘谖宕苿油ㄐ偶夹g（5G）的研發(fā)正逐步升溫。4G最高可以達到100Mbps的上網(wǎng)速率，而5G可達到1Gbps。與4G相比，5G網(wǎng)絡更能滿足人們對高傳輸速率的要求。同時，第五代移動通信網(wǎng)絡在傳輸過程中還體現(xiàn)出短時延、低功耗、高可靠等特點。目前全球很多國家都已經(jīng)開展了5G研發(fā)，在前不久結束的世界移動通信大會上中國以及其他國家共19家通信運營商和多家通信設備廠也都加入研[1]究5G網(wǎng)絡的隊伍，全球5G市場正逐漸開啟。
2第五代移動通信進展概述
對于第五代移動通信技術，目前業(yè)界尚無清晰而明確的定義。2015年2月11日，IMT-2020（5G）推進組在北京召開的5G概念白皮書發(fā)布會中，宣布迫切需要盡快制定全球統(tǒng)一的5G標準以及確定統(tǒng)一的5G概念。根據(jù)5G關鍵能力與核心技術，第五代移動通信技術的概念由標志性能指標和一組核心關鍵技術來共同定義。其中Gbps用戶體驗速率為標志性能指標，一組關鍵技術包括大規(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)絡架構。
2.1主要性能指標
可以用以下幾個主要的性能指標來描述5G。（1）數(shù)據(jù)速率將不少于1Gbps最是基本要求目前4G/LTE的傳輸速率達到100Mbps，而5G的速率將會達到每秒1Gbps。如果用4G網(wǎng)絡下載一個視頻耗時1分鐘，則5G下載一部高清畫質(zhì)視頻只需1秒鐘。如果利用手機或平板上在線觀看4k視頻或?qū)淼?k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)，無線移動寬帶系統(tǒng)的容量比目前4G/LTE增長1000倍，平均每平方公里地理范圍內(nèi)的連接數(shù)將不小于一百萬個。（3）無線延遲時間要求小于一毫秒兩部手機連接的時間在3G網(wǎng)絡下為500ms，而4G網(wǎng)絡則需要50ms。然而多數(shù)瞬時無線應用的時間延遲不能多于一毫秒，比如5G的應用于無人駕駛、汽車行駛中時，當向無人駕駛發(fā)送緊急指令時，延遲時間如果多一毫秒，可能就會有危險。因此未來的網(wǎng)路延遲時間應小[3]于一毫秒。（4）可支持的最大移動速度為500km/h4G支持的最大移動速率為350km/h，當以每小時500公里速度移動時，5G服務可保證信號切換不中斷。
2.25G發(fā)展現(xiàn)狀
從通信業(yè)的發(fā)展軌跡看，網(wǎng)絡換代的時間越來越短。1G、2G、3G、4G的更換間隔時間分別為為12年、10年、8年，而從4G到5G，預計只有6年。目前世界上許多發(fā)達國家已開展5G的研究工作并制定了相應的研究和發(fā)展推進計劃，中國、韓國、日本、美國、歐盟都在投入大量資源研發(fā)第五代移動通信網(wǎng)絡，同時在這兩年內(nèi)世界各國也就5G進行廣泛的研討。5G研發(fā)進展飛快，且多個國家對5G的研究都初見成效。歐盟于2014年1月正式推出“5GPPP”（5GPublic-PrivatePartnership）計劃，預投入數(shù)十億歐元開發(fā)5G技術，并在2022年正式投入運營。三星電子有限公司在2013年已成功開發(fā)5G核心技術，并宣布預計將于2020年開始推廣商用。韓國科學和未來規(guī)劃部在2014年1月宣布建立“未來通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”，預算1.6萬萬億韓元用于5G的研究，希望在2018年平昌奧運會上首次試演5G應用。日本于2013年10月創(chuàng)建了5G研究組，該研究組已經(jīng)對5G網(wǎng)絡進行了初步探討。2014年5月8日，日本多個運營商共同合作，開始測試高速5G網(wǎng)絡，并預計在2020年開始運作。美國Verizon無線公司在2015年9月7日宣布，將從明年開始試用第五代移動通信網(wǎng)絡，兩年后在美國部分城市進[4]行商用。2015年9月28日，第五次中歐經(jīng)貿(mào)高層對話會上，我國與歐盟在第五代移動通信網(wǎng)絡領域簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議。會議再次強調(diào)于2020年實現(xiàn)5G網(wǎng)絡商用的目標，再次推動了5G技術的發(fā)展。中國的5G研究的時間推進表中表示，在明年啟動第五代移動通信技術的標準研究，預計在三年內(nèi)完成第一個版本的標準，把商業(yè)應用的起步時間確定為2020年。中國移動、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技術標準。
35G網(wǎng)路前景分析
3.15G在我國前景
雖然目前5G還處在實驗階段，真正商用還要經(jīng)過幾年的時間，但是5G已經(jīng)成為ICT領域的熱點名詞。我國在通信技術標準領域經(jīng)歷了第一代空白、第二代跟隨、第三代突破、第四代同步、第五代力爭取得主導地位的加速發(fā)展。3G、4G時代呈現(xiàn)出標準之爭的局面在5G情況下是不會出現(xiàn)的，5G技術標準將實現(xiàn)全球統(tǒng)一。我國移動通信技術已經(jīng)取得一定成績，在5G國際標準的制定工作中也起到重要作用，需要我國企業(yè)在5G網(wǎng)絡方面進一步發(fā)力，爭取中國5G標準能成為世界5G標準。
3.25G三大空口技術
第三代移動通信的空口技術是CDMA，第四代移動通信的空口技術是OFDM，而當進入第五代移動通信時代時，應用更加繁榮，對空口技術要求也更加靈活，因此空口技術的復雜多樣性和應變能力變得尤為重要。一個空口必須滿足超高清視頻要求的每秒1G的帶寬、無人駕駛要求的小于1毫秒時延、每平方公里物聯(lián)網(wǎng)傳感器幾十萬的連接數(shù)等業(yè)務。而濾波正交波形頻分復用（FilteredOFDM，F(xiàn)-OFDM）與稀疏碼多址技術（SparseCodeMultipleAccess，SCMA）可作為第五代無線通信技術動態(tài)空口的基礎。（1）F-OFDM無線通信的基礎波形技術F-OFDM是基于子帶濾波的OFDM，能夠滿足5G需求的波形技術。其能滿足5G原理是首先先將系統(tǒng)帶寬劃分若干子帶，通過優(yōu)化濾波器，把不同帶寬的子波之間的保護頻帶做到一個子波帶寬，每種子帶根據(jù)業(yè)務需求配置不同的波形參數(shù)。支持空口參數(shù)配置自動適應5G不同業(yè)務。（2）SCMA無線通信的稀疏碼多址接入技術通過F-OFDM已經(jīng)實現(xiàn)了在頻域和時域的資源復用，為了進一步提高頻譜效率，還可以通過空域和碼域的復用來改進。SCMA有兩個關鍵技術：第一個是低密度擴頻，即把單個子載波擴頻成4個子載波，然后這4個子載波由6個用戶共享，用戶數(shù)據(jù)只占用了其中2個子載波，剩余2個空子載波。這就是SCMA中Sparse（稀疏）的含義。第二個關鍵技術是高維調(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)制技術調(diào)制的也是相位和幅度，但是最終使多用戶的星座點之間歐氏距離拉得更遠，大大提高了用戶的'解調(diào)和抗干擾性能。每個用戶使用高維調(diào)制的數(shù)據(jù)稀疏碼本，而每個用戶的碼本系統(tǒng)有記錄，這樣在不正交的情況下，就可以把不同用戶最終解調(diào)出來。SCMA通過引入碼域的多址，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高性能糾錯碼技術信道編碼技術的主要目的是能夠可靠的傳遞數(shù)字信號。信道編碼技術是在發(fā)送信息序列的同時增加額外的校驗比特，并在收端采用一定的譯碼技術，使傳輸過程中產(chǎn)生的差錯以較高的概率進行糾正，從而正確接收發(fā)送的信息。過去所采用的多種糾錯碼技術如RS碼、卷積碼、Turbo碼等都未能達到香農(nóng)極限。在2008首次提出的極化碼是第一種能夠被嚴格證明可達到信道容量的信道編碼方法。Polar碼具有簡單明確的編碼及譯碼算法，所能達到的[5]糾錯性已經(jīng)遠遠超過Turbo碼、LDPC碼。
3.35G未來應用
5G的應用不僅僅是上網(wǎng)、打電話，還可以實現(xiàn)萬物互聯(lián)、各行各業(yè)的信息相互結合。如智慧城市、智能交通、工業(yè)自動化等等，這意味著5G標準不僅僅只與移動通信行業(yè)有關。人們通過高科技可以達到“所想即所得”的水平。農(nóng)民不需要到田里，只需打開手機通過田間攝像頭就可以隨時查看農(nóng)作物病害和蟲害信息以及田間水量和養(yǎng)分等情況。如果農(nóng)民種植過程中遇到問題，可以把田間的情況通過發(fā)送視頻給遠方專家，直接等待回復。當在用手機看足球比賽的直播時，賽場周圍安裝了大量高清攝像頭，視頻信號通過5G網(wǎng)絡從遙遠的球場瞬間傳到手機或平板上，只需用手指隨意劃動屏幕，畫面就會隨著手指的移動而發(fā)生變化，就可以享受觀看全方位的比賽。
3.45G面臨問題
5G雖然在未來幾年就會被商用，但仍有許多問題有待解決。（１）5G網(wǎng)絡的主要問題依然是技術問題目前的4G網(wǎng)絡的技術仍存在著許多問題，如果問題不解決勢必影響5G的普及。比如信號受障礙物影響較大，在偏遠的山區(qū)網(wǎng)絡還未普及，在地鐵站、地下室、圖書館以及火車車廂等人群密集的場所，存在覆蓋不到或信號差等問題。（２）手機存儲讀寫速度問題人們很容易忽視掉現(xiàn)有的手機存儲芯片的寫入速度根本無法達到5G網(wǎng)絡需要的速度，即使5G網(wǎng)絡被商用，也會因為手機讀寫速度受到限制，人們體驗不到其在速度上的優(yōu)勢。在移動互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的時代，5G將支持更打范圍的信息服務互聯(lián)和應用，除個人消費業(yè)務外，還可以滿足更多的企業(yè)和社會需求�？梢灶A測，5G虛擬現(xiàn)實、5G智能車聯(lián)網(wǎng)、遠程遙控、緊急救援等領域，將可借助5G技術得到推廣。
參考文獻
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[5]深度解讀華為5G空口新技術：F-OFDM和SCMA.電子產(chǎn)品世界：
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