5G移动通信系统简介

5G移动通信系统简介随着现代社会的快速发展，科学技术的发展也日新月异，而通信技术方面的技术变革，更是站在当今发展最快的技术变革行列的前列。5G移动通信技术作为目前最前沿的通信技术，是应2020年后通信技术发展需求而生的，目前该技术尚处于探索研究阶段。5G（fifth-generation）即第五代移动电话系统，是4G移动通信技术的延伸。目前尚未有任何一家标准制定组织或者电信公司的公开规格，也没有在任何官方文件中有所涉及，即该技术尚未有具体的标准。但是，随着社会的发展，人们对通信技术领域的期望越来越高，5G移动通信技术，势必会得到飞速的发展。一、移动通信技术的发展历程移动通信技术发展到现在，经历了四个发展阶段，第一代（1G）通信技术自上世纪80年代初期被提出，历经十年的发展问世，这一代移动通信技术主要是通过模拟传输，因此具有速度低、质量差、安全性差、没有加密、业务量小的特点及不足。第二代（2G）通信技术的发展开始于二十世纪九十年代初期，该技术通过采用更密集的技术结构以及引用智能技术等，较1G技术有所进步，但依然不能真正满足移动通信业务的发展需求。第三代（3G）通信技术的问世，通过应用智能信号等处理技术，已经能够提供前两代技术无法提供的移动宽带服务，但该技术中频谱利用效率还是比较低，依然有大量宝贵的频谱资源未得到充分利用，因此，3G技术同样还是远远不能满足未来人们对于通信技术的需求。第四代（4G）通信技术在这种背景下提出，其视频图像传输的效果可以媲美高清晰电视；拥有极高的下载速度及灵活的计费方式等，具有前三代无可比拟的先进性。但是，随着科技的发展、社会的进步，人们对于网络通信技术的要求也是与日俱增，尚处于研发阶段的第五代（5G）通信系统，作为当前最新一代的通信系统，符合了移动通信技术之发展规律，较第四代通信技术相比，其用户体验、传输延时、系统安全和覆盖性能等各方面都有显著的提高。5G移动通信技术将紧密结合其他通信技术，构成新一代无比先进的移动信息网络。在未来十年的时间内，能够满足人们对移动通信技术的发展需求。二、5G移动通信技术的特点及优点（一）研究意义移动通信的发展已经经历了几代。从只能提供话音业务的第一代模拟移动通信（模拟蜂窝）到第二代数字移动通信（数字蜂窝），再到第三代移动多媒体通信（3G）。在3G才刚刚普及的时候，第四代移动通信（4G）已然来临。而日益增长的数据流量以及智能终端的普及，导致4G在容量、速率、频谱等方面已经不能满足人们对网络的需求，基于此，第五代移动通信网络（5G）应运而生。5G是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统。根据移动通信的发展规律，5G将具有超高的频谱利用率和能效，在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高一个量级或更高，其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高。5G移动通信将与其他无线移动通信技术密切结合，构成新一代无所不在的移动信息网络，满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求。因此，需要我们开展研究，明确5G的业务和关键技术指标，为5G技术发展和系统设计指引方向。（二）5G移动通信技术的特点1.频谱利用率高在5G移动通信技术中，高频段的频谱资源将被应用的更为广泛，但是在目前科技水平条件下，由于会受到高频段无线电波的穿透能力影响，高频段频谱资源的利用效率还是会受到某种程度的限制，但这不会影响光载无线组网、有线与无线宽带技术的融合等技术的普遍应用。2.通信系统性能有很大提高传统的通信系统理念，是将信息编译码、点点之间的物理层面传输等技术作为核心目标，而5G移动通信技术的不同之处在于，它将更加广泛的多点、多天线、多用户、多小区的相互协作、相互组网作为重点的研究突破点，以大幅度提高通信系统的性能。3.设计理念先进在通信业务中，占据主导地位的是室内通信业务的应用，5G移动通信系统的优先设计目标定位在室内无线网络的覆盖性能及其业务支撑能力上，这将改变传统移动通信系统的设计理念。4.能耗和运营成本降低5G无线网络的“软”配置设计，将是未来该技术的重要研究、探索方向，网络资源可以由运营商根据动态的业务流量变化而实时调整，这样，可以有效降低能耗和网络资源运营成本。5.主要的考量指标5G通信网络技术的研究，将更为注重用户体验，交互式游戏、3D、虚拟实现、传输延时、网络的平均吞吐速度和效率等指标将成为考量5G网络系统性能的关键指标。（三）5G移动通信技术的优点5G移动通信技术，作为最新一代的移动通信技术，其应用必将大大提高频谱利用效率及其能效，在资源利用和传输速度效率方面较4G移动通信技术能提高至少一个等级，在系统安全、传输时延、用户体验、无线覆盖的性能等各个方面也将得到显著的提升。5G移动通信技术结合其他无线通信技术后，将构成新一代高效、完美的移动信息网络，可以满足未来十年的移动信息网络的发展需求。不久的将来，5G移动通信系统一定程度上还将具备较大的灵活性，实现自我调整、网络自感知等智能化功能，可以有充分的准备应对未来移动网络信息社会的不可预测的飞速发展。（四）5G移动通信技术发展的趋势5G移动通信技术，已经成为移动通信领域的全球性研究热点。随着科学技术的深入发展，5G移动通信系统的关键支撑技术会得以明确，在未来几年，该技术会进入实质性的发展阶段，即标准化的研究与制定阶段。同时，5G移动通信系统的容量也会大大提升，其途径主要是进一步提高频谱效率、变革网络结构、开发并利用新的频谱资源等。2013年初，欧盟等国家的第7框架计划中启动了关于5G的研发项目，共有29个参加方，我国的华为公司也参与其中。随着该项目的启动，各种5G移动通信技术的研发组织应运而生，如韩国成立的5G技术论坛，中国成立的IMT-2020(5G)推进组等。目前，世界各个国家正积极的就5G移动通信技术的应用需求、关键技术指标、使能技术、候选频段、发展愿景等各个方面进行全面的研讨，以期在2015年召开世界无线电大会时达成共识，在2016年后积极启动关于5G移动通信技术的相关行业标准进程。移动互联网的快速发展是推动5G移动通信技术发展的主要动力，移动互联网技术是各种新兴业务的基础平台，目前现有的固定互联网络的各种服务业务将通过无线网络的方式提供给用户，后台服务及云计算的广泛应用势必会对5G移动通信技术系统提出较高的要求，尤其是在系统容量要求与传输质量要求上。5G移动通信技术的发展目标主要定位在要密切衔接其他各种无线移动通信技术上，为快速发展的网络通信技术提供全方位和基础性的业务服务。就世界各国的初步估计，包括5G移动通信技术在内的无线移动网络，其在网络业务能力上的提升势必会在三个维度上同步进行：第一，引进先进的无线传输技术之后，网络资源的利用率将在4G移动通信技术的基础上提高至少10倍以上；第二，新的体系结构（如高密集型的小区结构等）的引入，智能化能力在深度上的扩展，有望推进整个无线网络系统的吞吐率提升大概25倍左右；第三，深入挖掘更为先进的频率资源，比如可见光、毫米波、高频段等，使得未来的无线移动通信资源较4G时代扩展4倍左右。为了提升5G移动通信技术的业务支撑能力，其在网络技术方面和无线传输技术方面势必会有新的突破。在网络技术方面，将采用更智能、更灵活的组网结构和网络架构，比如采用控制与转发相互分离的软件来定义网络架构、异构超密集的部署等。在无线传输技术方面，将会着重于提升频谱资源利用效率和挖掘频谱资源使用潜能，比如多天线技术、编码调制技术、多址接入技术等等。5G移动通信技术的发展，在移动通信技术领域掀起了新一轮的竞争热潮，加快5G技术的研发应用，力求在5G通信领域的商业竞争中脱颖而出，已成为各国信息领域发展的重要任务。5G移动通信技术，必将会得到空前的发展，并给社会的进步带来前所未有的推动力。当代科学技术的飞速发展，尤其是网络通信技术的迅猛发展，将有力推动5G移动通信技术的发展进程，依据移动通信技术的发展规律，在2020年后，5G移动通信技术将有望实现商用，能够满足未来移动互联网业务的发展需求，并带给移动互联网用户一种前所未有的全新体验。目前，5G移动通信技术的科研尚处于起步阶段，并即将迈入发展的关键时期，其关键指标和技术需求都会在未来几年内陆续出台，届时将引领我国移动通信行业的新一轮变革。（五）5G关键技术5G有六大关键技术，分别为：高频段传输技术、新型多天线传输技术、同时同频全双工技术、D2D技术、密集组网和超密集组网技术以及新型网络架构技术等。LTE-A的技术标准主要由3GPP国际标准化组织制定。业界初步认为在3GPPR14阶段（2016年）将启动5G技术的标准研究工作。5G无线关键技术的主要方向包括：1新型多天线技术随着无线通信的高速发展，对数据流量的需求越来越大，而可用频谱资源是有限的。因此，提高频谱利用效率显得尤为重要。多天线技术是一种提高网络可靠性和频谱效率的有效手段，目前正被应用于无线通信领域的各个方面，如3G，LTE，LTE-A等，天线数量的增加，可以保证传输的可靠性以及频谱效率。新型大规模天线技术可以实现比现有的MIMO技术更加高的空间分辨率，使得多个用户可以利用同一时频资源进行通信，从而在不增加基站密度的情况下大幅度提高频率效率；新型多天线技术可以降低发送功率；可以将波束集中在很窄的范围内，可以降低干扰。总之，新型多天线技术无论在频谱效率、网络可靠性还是能耗方面都具有不可比拟的优势，因此在5G时代会普遍使用。限于多天线技术所占用空间大、系统复杂度提升、对设备的外观设计、系统部署能力都带来了极大挑战，因此未来这方面也是研究热点。2高频段的使用对于移动通信系统而言，在3GHz以下的频段可以很好地支持移动性，有良好的覆盖范围，但目前在这一区间的频谱资源十分紧张。而在3GHz以上的频谱资源非常丰富，如果能够有效利用这一区间的频谱资源，将会极大地缓解频谱资源紧张的问题。因此，高频段的使用将会成为未来发展的趋势，高频段具有许多优点，比如：可用带宽非常充足，设备和天线小型化，天线增益较高。不过高频段也存在着一些不足之处，例如：穿透和绕射能力弱，传输距离短，传播特性不佳等，同时高频器件和系统设计成熟度、成本等因素也需要得到解决。3同时同频全双工传统的无线通信技术由于其局限性，并不能实现同时同频的双向通信，这造成了极大的资源浪费，而全双工同时同频技术可以实现上行链路和下行链路同时利用相同的频率资源进行双向通信，理论上可以令资源利用率提升一倍。不过全双工同时同频技术也面临一个技术难题，就是在发送和接收信号的过程中，由于功率差距非常大，会导致非常严重的自干扰，因此首要解决的问题就是干扰消除。另外，还存在着邻小区同频干扰问题，全双工同时同频在多天线的环境下应用难度会更大，需要深入研究。4设备间直接通信技术现有的无线通信技术是以基站作为中心，存在着一定的局限性，如系统在覆盖和容量等方面的问题。尽管中继技术及多点协作技术能够提高小区的覆盖性能，增加小区边缘用户的吞吐量，但是基站和中继节点位置固定，网络结构和业务也不够灵活，系统的整体覆盖和小区边缘用户的体验仍然存在较大的提升空间。设备间直接通信技术，即D2D，能够在相邻的终端之间在近距离范围内通过直接链路进行数据传输，而不需要经过中间节点。短距离直通技术具有以下优势：可实现较高的数据速率、较低的延迟和较低的功耗；可以实现频谱资源的有效利用，获得资源空分复用增益；能够适应如无线P2P等业务的本地数据共享需求，提供灵活的数据服务；能够利用网络中数量庞大且分布广泛的通信终端以拓展网络的覆盖范围。D2D对于提高频谱利用率和系统质量有着重要意义，将是5G重点研究的技术之一。5自组织网络在传统无线通信网络中，网络部署、配置、运维等都是人工完成，不仅占用大量的人力资源，而且效率十分低下，并且行，尽量减少人工干预。5G将会是一个多制式的异构网络，将会有多层、多种无线接入技术共存，使得网络结构变得十分复杂，各种无线接入技术内部和各种覆盖能力的网络节点之间的关系错综复杂，网络的部署、维护、运营将成为一个极具挑战性的工作。为了降低网络部署、运营维护复杂度