0 引言

    移動通信是一個充滿生機而又有無限發展可能的領域，從第一代模擬調制通信系統到第二代數字調制系統，從最初僅能支持少量的數據業務到今天實現了視頻、音頻、圖片等多媒體數據業務的快速傳輸，移動通信技術正發生著深刻的變革。

    隨著智能手機、平板電腦與強大的多媒體功能和應用程序的流行，移動互聯網和物聯網的迅猛發展已成為第五代移動通信技術(5G)發展的主要驅動力。本文將從應用場景、技術需求和關鍵技術三個方面對5G移動通信若干關鍵技術的現在與未來發展進行評述。

1 5G概述

    5G是面向下一代移動通信需求而發展的新一代移動通信系統，具備超高的頻譜利用率和能量效率，以及成本低、安全可靠的特點。5G將使得信息通信突破時空限制，給用戶帶來前所未有的交互體驗，極大地縮短人與物之間的連接，并快速地實現人與萬物的互通互聯。

2 5G應用場景

    在第三代和第四代移動通信中，主要聚焦于“移動寬帶”這一應用場景，著重致力于給用戶提供更高的系統容量和更快的接入速度。在5G時代，各種物聯網應用將廣泛普及，如智慧城市、智能電網、遠程醫療、車載娛樂、智能運動，未來的5G網絡需要支持虛擬現實、超清視頻和移動游戲等服務，這類移動交互式應用對無線接入的帶寬和通信延遲有著很高的需求。除此之外，在公共安全方面，包括應急語音通話、無人機遠程監測、入侵監測、急救人員跟蹤等場景，這些應用需要5G通信系統提供零延遲、高可靠的傳輸保證^[1]。

3 5G技術需求

    綜合未來移動互聯網和物聯網各類場景和業務的需求，5G主要技術場景可以歸納為連接廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠四個場景。以上四個場景為5G系統提出了以下技術需求：

    (1)傳輸速率需求。傳輸速率提高10~100倍，用戶體驗速率達到0.1~1 Gb/s，用戶峰值速率可達10 Gb/s。

    (2)時延需求。時延降低5~10倍，達到毫秒量級。

    (3)設備連接密度需求。設備連接密度提升10~100倍，達到600萬個/平方公里。

    (4)流量密度需求。流量密度提升100~1 000倍，達到20 Tbps/km²以上。

    (5)移動性需求。移動性達到500 km/h以上，實現高鐵環境下的良好用戶體驗。

4 5G關鍵技術

    每一代通信網絡的發展都會伴隨著關鍵技術的興起，新的技術將會滿足通信網絡的應用需求和技術需求，并推動著網絡繼續向前發展。目前，5G網絡關鍵技術仍處于研究階段，究竟何種關鍵技術在未來能夠被5G標準采用，仍是有待商榷的。但是，可以肯定的是，未來5G網絡是一個兼容并包、靈活開放的系統。本文以應用場景和技術需求為出發點，將對其中一些物理層關鍵技術進行說明。其中，應用場景、技術需求和關鍵技術的關系如圖1所示。

4.1 毫米波通信

    通信技術的發展很大程度上依賴于大量可利用的頻譜資源，然而目前的商業工作頻段都集中在300 MHz～3 GHz，3～300 GHz(毫米波)頻段的利用率較低，利用毫米波頻段進行無線通信是解決微波頻段頻譜資源稀缺的有效方法之一。在設計毫米波通信系統時，由于大氣的衰減，需要充分考慮電磁波在大氣中的傳播特征，毫米波的主要缺點是在大氣層中傳播時期頻率選擇性吸收比低頻段的無線電波更為嚴重，因此毫米波更適用于應對小范圍熱點高吞吐量需求^[2]。

4.2 全雙工通信技術

    全雙工通信技術是指同時、同頻進行雙向通信的技術。由于在無線通信系統中，網絡側和終端側存在固有的發射信號對接收信號的自干擾，現有的無線通信系統中，不能實現同時同頻的雙向通信，雙向鏈路都是通過時間或頻率進行區分的，對于TDD和FDD，這樣理論上浪費了一半的無線資源，而全雙工技術可以實現上行鏈路和下行鏈路同時利用相同的資源進行雙向通信，理論上可以令資源利用率提升一倍，因此同時同頻全雙工技術成為5G研究的一個重要方向。不過它也同樣面臨著巨大的技術難題，就是在發送和接收信號時，由于功率差距非常大，會導致嚴重的自干擾，因此首要解決的是干擾消除問題。另外，還存在著鄰小區同頻干擾問題，全雙工在多天線的環境下應用難度更大，需要深入研究^[3]。

4.3 大規模MIMO技術

    多天線技術是提高系統頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段，已經應用于多種無線通信系統中，如3G系統、LTE、LTE-A、WLAN等。傳統的MIMO技術存在硬件復雜度增加、信息處理復雜度增加、能量消耗等問題，顯然已經不能滿足人們對超高速數據業務的需求。2010年貝爾實驗提出了在基站側采用大規模天線陣列技術代替現有的多天線技術，使得基站天線數量遠大于其能夠同時服務的單天線移動終端數目^[4]。

    與傳統的MIMO技術相比，大規模MIMO有以下幾點優勢：天線數目的增加使得最大比發送預編碼的性能接近最優，降低了實現的復雜度，大幅度提高了系統容量；空間分辨率顯著增強，具有深度挖掘空間維度資源的能力，在不增加基站密度和帶寬的條件下大幅度地提高頻譜效率；有較低的發射功率消耗和成本；可以將波束集中在很窄的范圍內，從而降低干擾。

4.4 非正交多址接入（NOMA）技術

    面對新一代無線網絡的需求，傳統的多址技術已經難以滿足在系統吞吐量、用戶速率體驗方面的需求，在5G系統中采用新型的多址接入技術，即非正交多址接入。NOMA技術的基本思想是在發送端采用非正交發射，主動引入干擾信息，在接收端通過干擾消除檢測接收機實現正確的解調。NOMA的信道傳輸采用正交頻分復用或離散傅里葉變換正交頻分復用技術，只是一個子頻帶上時域頻域資源不再是只分配給一個用戶，而是多個用戶共享，以此來提高頻譜效率和用戶接入量^[5]。

4.5 極化編碼技術

    香農在有噪聲信道編碼理論中指出，存在達到香農極限的碼字，Erdal Arikan引入了信道極化理論，根據組合信道在碼長足夠大時發生的極化現象，提出了Polar編碼方案^[6]，可在保證一定傳輸可靠性的基礎上實現高傳輸速率，它是一種基于信道極化理論定義的線性分組碼，作為線性分組碼，Polar碼與LDPC碼類似，但它是唯一已證明的可在二進制離散無記憶信道上達到香農極限的信道編碼方式，并有著較低復雜度的編譯算法，僅為O(NlogN)，其中N為碼長^[7]，所以在信源編碼、協議中繼及干擾融合等通信領域中有著重要的前景，同樣也是5G網絡的一項突出的關鍵技術^[8]。

4.6 D2D通信

    在未來5G網絡中，網絡容量、頻譜效率需求進一步提升，設備到設備通信(D2D)具有潛在的提升系統性能、增強用戶體驗、減輕基站壓力、提高頻譜利用率的前景^[9]。D2D通信是一種基于蜂窩系統的近距離數據直接傳輸技術，D2D會話的數據直接在終端之間進行，不需要通過基站轉發，而相關的控制信令仍由蜂窩網絡負責。蜂窩網絡引入D2D通信，可以減輕基站負擔，降低端到端的傳輸時延，提升頻譜效率，降低終端發射功率。

5 展望

    在移動互聯網和物聯網的強勁推進下，通信產業能力快速提升，根據移動通信的發展規律來說，5G技術將在2018年進入測試階段，2020年之后實現商用。今后的幾年中將是確定5G網絡中關鍵技術、使用頻段、技術指標、發展方向的關鍵時期。現有的網絡體系將會得到重新的整合，通信系統的頻譜效率、能耗效率將會得到根本的提高，設備終端將更加智能，網絡配置和維護的費用將會更低。演進、融合、創新將會成為5G移動通信系統發展的主要路線。

參考文獻

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