浅谈5G关键技术
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摘要：在过去20多年中，移动通信经历从语音业务到高速宽带数据业务的飞速发展，未来人们对移动网络的需求进一步增加。需求的爆炸式增长给未来无线移动通信系统在技术方面带来巨大的挑战，由此，针对5G系统的研究应运而生。本文主要介绍5G的基本概念以及5G采用的关键技术。
关键词：5G关键技术;毫米波技术;大规模天线阵列;超密集组网
中图分类号：TP391 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）35-0029-02
1 5G概述
在20世纪80年代末90年代初，通信以模拟信号传输技术为主的1G产品大哥大出现了，它以打电话为主。那个时代拥有一台大哥大是多少人梦寐以求的事情，它很好地解决了通信当时的一个痛点：实现随时随地和别人交流。接下来发展到2G，从1G到2G的飞跃，除了打电话，人们还可以发短信、沟通一下又方便了很多。而到了3G，大家就比较熟悉了，它终于可以让人看图片了。然后紧跟着是4C手机，不但图片，音樂、视频都可以轻松下载。接下来就是我们马上遇到的5G时代，我们已经可以开始感受到它的震撼了。
那么5G是什么概念呢？从1G到4G，移动通信技术差不多每隔10年就会经历一次革命性的跨越，每一次更新换代都很好地解决了当时的主要需求。
移动通信在过去的20多年中，经历了从语音业务到高速宽带数据业务的飞跃发展，使得人们未来对移动网络的新需求不断增加，这主要体现在两个方面：一个是，未来10年移动网络数据流量将出现爆发式增长，预计是2010年的数百倍、甚至更多，尤其是在智能手机成功占领市场之后，各种新服务不断涌现，比如娱乐点播服务、电子医疗、网络化学习、电子银行等等;另一方面，我们相信在不久的将来，会迎来移动物联网的产业浪潮。到那时，移动医疗、车联网、虚拟现实、智能家居等，将推动万物互联的新通信时代，数以千亿的设备将接入网络……因此，5G直接要面临解决的问题主要有3个：容量增强、接人海量终端、超高可靠超低时延。
为了解决以上三个问题，下面我们来谈谈5G采用的关键技术。
2 5G关键技术
5G作为新一代的移动通信技术，它是4G的延续，可能会采用6大核心关键技术，包括网络架构和无线接入网两方面都可能涉及。
2.1毫米波技术
大家知道，在移动通信中频谱是非常宝贵的资源，随着通信技术的不断发展和逐步部署，其中6GHz以下的中低频频谱资源已经非常稀缺，而高频频段则有着较为丰富的空闲频谱资源。因此，为满足不断增长的用户数据速率需求和不断发展的移动通信业务，一方面努力探索更高效的中低频谱利用效率，另一方面尝试开拓更高（6GHz以上）频段的频谱资源，是许多通信人研究5G一直坚持的方向。
毫米波属于极高频段，其频率范围为30GHz～300GHz，相应波长在1mm～10mm之间，它的波束很窄，是在空间以直射波的方式进行传播，本身具有良好的方向性。下面是高频段毫米波在移动通信中的主要优点：
◇较高的天线增益;
◇可用带宽足够量;
◇小型化的天线和设备;
◇绕射能力强，适合部署大规模天线阵列（Massive MI-MO）。
但高频段毫米波移动通信也存在一些缺点，比如穿透能力差、传输距离短、易受天气气候和环境影响等等，目前各大研究机构正在积极开展高频段需求研究以及候选频段的遴选工作。
2.2大规模天线阵列
多天线技术经历了从无源到有源、从二维（2D）到三维（3D）、从高阶（MIMO）到大规模阵列（Massive MIMO）的发展，如图1所示。
其中大规模天线技术是5G通信系统中，最具有性能提升潜力的关键技术，通过上百根天线的空分复用优势，成倍提升系统容量，并在pre5G中成功商用。这种大规模天线技术在原理上理解起来比较直观：就是在物理上增加基站发送天线数目，而在传输过程中增加并行传输用户数目。
目前，针对大规模天线信道测试与建模、阵列设计与校准、导频信道、码本及反馈机制等问题研究人员正在进行深入研究，未来将支持更多的用户空分多址（SDMA），在实现绿色节能的同时降低发射功率，提升整体覆盖能力。
2.3新型调制编码技术
调制编码技术是移动通信的核心技术，随着未来的数据传输需求不断增加，现在的4G LTE网络的编码还不能够得以满足，这就迫切需要设计更高效的信道编码，来提高数据传输速率，并利用更大的编码信息块契合移动宽带流量配置，同时，现有信道编码技术（如LTE Turbo）的性能极限还有待继续提高。LDPC在传输效率方面远远超于LTE Turbo，而且易平行化的解码设计，能以低时延和低复杂度，扩展达到更高的传输速率。5G所采用的新型调制编码技术主要包括256QAM高阶调制、LDPC和Polar编解码技术。256QAM高阶调制大家比较熟悉，下面对LDPC和Polar编解码技术分别作个简单介绍。
LDPC码即低密度奇偶校验码，最早由美国麻省理工学院Robert G.Gallager博士于1963年提出，是一类具有稀疏矩阵的线性分组码，其翻译复杂程度较低、结构比较灵活。LDPC曾经在3GPP的第一次尝试出现在2006年的LTE R8讨论中，但那时由于非技术因素却惜败于风头正劲的Turbo码。不过经过10年的沉淀，2016年得到充分验证的LDPC又来到了移动通信标准的赛场上，成为5G技术的备选方案。
Polar码则是编解码界新星，它是一种全新的线性信道编码方法，该码字是迄今发现的唯一一类能够达到香农极限的编码方法，且有较低的编译码复杂度。2016年11月19日，国际移动通信标准化组织3GPP确定将Polar码作为5G增强移动宽带场景的控制信道即短码块编码方案。 2.4网络切片技术
图2是网络切片的简单示意图。什么是网络切片，简单理解起来就是将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端网络，如图2所示，它就是一个网络切片的简单示意图。而在每个虚拟网络之间，包括核心网、网络内的设备、接入和传输，他们在逻辑上都是独立的，其间任一虚拟网络发生故障，都不会影响到其他虚拟网络正常运行。
5G网络切片技术能够为不同的应用场景提供隔离的网络环境，使不同的应用场景可根据自身要求定制特性功能与功能。5G网络切片的目标是结合网络运营、接入网资源、核心网资源、终端设备以及维护管理系统，为不同的业务场景和业务类型，提供隔离、独立和集成的网络。
2.5超密集组网（UDN）
未来移动通信业务突飞猛进飞速发展，尤其是热点地区的流量將是各大运营商亟待解决的重要问题，在5G网络中这个问题将更为明显。仅仅靠稀缺的低频段频谱资源将无法满足移动数据流量增长的需求，于是增加单位面积内微基站密度或许是解决热点地区移动数据量飞速增长的有效方法。
然而，在实际的部署中，超密集组网存在着几大问题：干扰、站址的获取和成本。基站建立越多，成本增加自然不在话下。另外随着网络的小区人口密度的不断增加，小区间干扰问题显得更加严重，特别是控制信道的干扰直接影响了整个系统的可靠性;另一方面，由于密度增加，使得用户在频繁选择小区和小区切换的移动性管理变得异常严峻。
虚拟层技术的提出就是为解决以上技术难点。所谓虚拟层技术，其基本原理就是由单层实体网络构建虚拟多层网络。该技术可以通过单载波和多载波实现。单载波是通过不同的信号或信道构建虚拟多层网络;多载波则是通过不同的载波构建虚拟多层网络。
2.6设备到设备直接通信（D2D）
D2D技术是一种通信方式，是指两个对等的用户节点之间直接进行通信。随着无线多媒体业务的不断增多，更丰富的业务提供方式可以满足海量用户在不同环境的业务体验和需求。
在由D2D通信用户组成的分散式网路中，每个用户节点都既能发送也能接收信号，并具有自动路由（转发消息）的功能。网路的参与者共用它们所拥有的一部分硬体资源，包括网路连接能力，信息处理、存储等。这些共用资源向网路提供资源和服务，在不需要经过中间实体的情况下能被其他用户直接访问。在D2D模式的通信网路中，用户节点同时扮演客户端和伺服器两个角色，用户之间能够意识到彼此的存在，能够自组织地构成一个虚拟或实际的群体。
在D2D通信模式下，两终端之间直接进行数据传输，能够有效避免蜂窝通信中因用户数据经过网络中转传输而产生的链路增益;另一方面，D2D与蜂窝之间以及D2D用户之间的资源可以复用，由此能够产生资源复用增益;通过资源复用增益和链路增益则可提高无线频谱资源的利用效率，从而提高网络吞吐量。
当然，D2D通信技术只能作为蜂窝网络的辅助通信手段，是无线通信的应用场景得到进一步的扩展，而不是独立组网通信。
3 5G来了
2019年6月6日上午，工信部正式发放5G商用牌照，标志着中国正式进入5G时代。随着科技的每一次进步，都会带来产业的机会，就看我们能否抓住技术的特点。那么5G能给我们带来什么呢？这或许没人能说得清楚。在3G刚开始的时候，大家能想到微信这么热吗？而到了4G，也不曾想微信还能支付.还能传视频。所以移动通信业务不是事先想出来的，而是能力具备才做出来的。从1G到4G主要是面向消费者，是消费者应用，5G将是4G的延续扩展消费应用领域，但是它会增加面向产业的应用，适用于智慧城市、产业互联网等等。总之，没有做不出来，只有想象不到。有个咨询公司估计到2035年，5G能给全球经济产出增加12.3万亿美元，而其中中国会因为5G国内生产总值增加大概1万亿美元、创造大概1000万人的就业机会！
5G可以说是数字高新技术产业的制高点，它是未来数字经济增长的一个新引擎！
参考文献：
[1]陈鹏.5G关键技术与系统演进[M].北京：机械工业出版社，2015.
[2]江林华.5G物联网及NB-IOT技术详解[M].北京：电子工业出版社，2018.
[3]郎为民.大话物联网[M].北京：人民邮电出版社，2011.
[4]易睿得.LTE系统原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2012.
【通联编辑：唐一东】
收稿日期：2019-08-20
作者简介：罗伟华（1978-），男，福建漳州人，讲师，研究方向：电子、通信。
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