0 引言

    移動(dòng)通信是一個(gè)充滿生機(jī)而又有無(wú)限發(fā)展可能的領(lǐng)域，從第一代模擬調(diào)制通信系統(tǒng)到第二代數(shù)字調(diào)制系統(tǒng),，從最初僅能支持少量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到今天實(shí)現(xiàn)了視頻,、音頻、圖片等多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速傳輸,，移動(dòng)通信技術(shù)正發(fā)生著深刻的變革,。

    隨著智能手機(jī)、平板電腦與強(qiáng)大的多媒體功能和應(yīng)用程序的流行,，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展已成為第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力,。本文將從應(yīng)用場(chǎng)景、技術(shù)需求和關(guān)鍵技術(shù)三個(gè)方面對(duì)5G移動(dòng)通信若干關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)在與未來(lái)發(fā)展進(jìn)行評(píng)述,。

1 5G概述

    5G是面向下一代移動(dòng)通信需求而發(fā)展的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng),，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(diǎn),。5G將使得信息通信突破時(shí)空限制，給用戶帶來(lái)前所未有的交互體驗(yàn),，極大地縮短人與物之間的連接,，并快速地實(shí)現(xiàn)人與萬(wàn)物的互通互聯(lián)。

2 5G應(yīng)用場(chǎng)景

    在第三代和第四代移動(dòng)通信中,，主要聚焦于“移動(dòng)寬帶”這一應(yīng)用場(chǎng)景,，著重致力于給用戶提供更高的系統(tǒng)容量和更快的接入速度。在5G時(shí)代,，各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將廣泛普及，如智慧城市,、智能電網(wǎng),、遠(yuǎn)程醫(yī)療、車載娛樂(lè),、智能運(yùn)動(dòng),，未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)需要支持虛擬現(xiàn)實(shí)、超清視頻和移動(dòng)游戲等服務(wù)，這類移動(dòng)交互式應(yīng)用對(duì)無(wú)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(yīng)急語(yǔ)音通話,、無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),、入侵監(jiān)測(cè)、急救人員跟蹤等場(chǎng)景,，這些應(yīng)用需要5G通信系統(tǒng)提供零延遲,、高可靠的傳輸保證^[1]。

3 5G技術(shù)需求

    綜合未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)各類場(chǎng)景和業(yè)務(wù)的需求,，5G主要技術(shù)場(chǎng)景可以歸納為連接廣域覆蓋,、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠四個(gè)場(chǎng)景,。以上四個(gè)場(chǎng)景為5G系統(tǒng)提出了以下技術(shù)需求：

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

    (2)時(shí)延需求。時(shí)延降低5~10倍,，達(dá)到毫秒量級(jí),。

    (3)設(shè)備連接密度需求。設(shè)備連接密度提升10~100倍,，達(dá)到600萬(wàn)個(gè)/平方公里,。

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

    (5)移動(dòng)性需求。移動(dòng)性達(dá)到500 km/h以上,，實(shí)現(xiàn)高鐵環(huán)境下的良好用戶體驗(yàn),。

4 5G關(guān)鍵技術(shù)

    每一代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展都會(huì)伴隨著關(guān)鍵技術(shù)的興起，新的技術(shù)將會(huì)滿足通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求和技術(shù)需求,，并推動(dòng)著網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)向前發(fā)展,。目前，5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)仍處于研究階段,，究竟何種關(guān)鍵技術(shù)在未來(lái)能夠被5G標(biāo)準(zhǔn)采用,，仍是有待商榷的。但是,，可以肯定的是,，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)兼容并包,、靈活開(kāi)放的系統(tǒng)。本文以應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)需求為出發(fā)點(diǎn),，將對(duì)其中一些物理層關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明,。其中，應(yīng)用場(chǎng)景,、技術(shù)需求和關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)系如圖1所示,。

4.1 毫米波通信

    通信技術(shù)的發(fā)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(yè)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(jìn)行無(wú)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(shè)計(jì)毫米波通信系統(tǒng)時(shí),，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(diǎn)是在大氣層中傳播時(shí)期頻率選擇性吸收比低頻段的無(wú)線電波更為嚴(yán)重,，因此毫米波更適用于應(yīng)對(duì)小范圍熱點(diǎn)高吞吐量需求^[2],。

4.2 全雙工通信技術(shù)

    全雙工通信技術(shù)是指同時(shí)、同頻進(jìn)行雙向通信的技術(shù),。由于在無(wú)線通信系統(tǒng)中,，網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)存在固有的發(fā)射信號(hào)對(duì)接收信號(hào)的自干擾，現(xiàn)有的無(wú)線通信系統(tǒng)中,，不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻的雙向通信,，雙向鏈路都是通過(guò)時(shí)間或頻率進(jìn)行區(qū)分的，對(duì)于TDD和FDD,，這樣理論上浪費(fèi)了一半的無(wú)線資源,，而全雙工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)上行鏈路和下行鏈路同時(shí)利用相同的資源進(jìn)行雙向通信，理論上可以令資源利用率提升一倍,，因此同時(shí)同頻全雙工技術(shù)成為5G研究的一個(gè)重要方向,。不過(guò)它也同樣面臨著巨大的技術(shù)難題，就是在發(fā)送和接收信號(hào)時(shí),，由于功率差距非常大,，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的自干擾，因此首要解決的是干擾消除問(wèn)題,。另外,，還存在著鄰小區(qū)同頻干擾問(wèn)題，全雙工在多天線的環(huán)境下應(yīng)用難度更大,，需要深入研究^[3],。

4.3 大規(guī)模MIMO技術(shù)

    多天線技術(shù)是提高系統(tǒng)頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段，已經(jīng)應(yīng)用于多種無(wú)線通信系統(tǒng)中,，如3G系統(tǒng),、LTE、LTE-A,、WLAN等,。傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)存在硬件復(fù)雜度增加、信息處理復(fù)雜度增加,、能量消耗等問(wèn)題,，顯然已經(jīng)不能滿足人們對(duì)超高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。2010年貝爾實(shí)驗(yàn)提出了在基站側(cè)采用大規(guī)模天線陣列技術(shù)代替現(xiàn)有的多天線技術(shù),，使得基站天線數(shù)量遠(yuǎn)大于其能夠同時(shí)服務(wù)的單天線移動(dòng)終端數(shù)目^[4],。

    與傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)相比，大規(guī)模MIMO有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：天線數(shù)目的增加使得最大比發(fā)送預(yù)編碼的性能接近最優(yōu),，降低了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度,，大幅度提高了系統(tǒng)容量；空間分辨率顯著增強(qiáng),，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(fā)射功率消耗和成本,；可以將波束集中在很窄的范圍內(nèi),，從而降低干擾。

4.4 非正交多址接入（NOMA）技術(shù)

    面對(duì)新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的需求,，傳統(tǒng)的多址技術(shù)已經(jīng)難以滿足在系統(tǒng)吞吐量,、用戶速率體驗(yàn)方面的需求，在5G系統(tǒng)中采用新型的多址接入技術(shù),，即非正交多址接入,。NOMA技術(shù)的基本思想是在發(fā)送端采用非正交發(fā)射，主動(dòng)引入干擾信息,，在接收端通過(guò)干擾消除檢測(cè)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)正確的解調(diào),。NOMA的信道傳輸采用正交頻分復(fù)用或離散傅里葉變換正交頻分復(fù)用技術(shù)，只是一個(gè)子頻帶上時(shí)域頻域資源不再是只分配給一個(gè)用戶,，而是多個(gè)用戶共享,，以此來(lái)提高頻譜效率和用戶接入量^[5]。

4.5 極化編碼技術(shù)

    香農(nóng)在有噪聲信道編碼理論中指出,，存在達(dá)到香農(nóng)極限的碼字,，Erdal Arikan引入了信道極化理論，根據(jù)組合信道在碼長(zhǎng)足夠大時(shí)發(fā)生的極化現(xiàn)象,，提出了Polar編碼方案^[6],，可在保證一定傳輸可靠性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)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(jìn)制離散無(wú)記憶信道上達(dá)到香農(nóng)極限的信道編碼方式，并有著較低復(fù)雜度的編譯算法,，僅為O(NlogN),，其中N為碼長(zhǎng)^[7]，所以在信源編碼,、協(xié)議中繼及干擾融合等通信領(lǐng)域中有著重要的前景,，同樣也是5G網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)突出的關(guān)鍵技術(shù)^[8]。

4.6 D2D通信

    在未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)中,，網(wǎng)絡(luò)容量,、頻譜效率需求進(jìn)一步提升，設(shè)備到設(shè)備通信(D2D)具有潛在的提升系統(tǒng)性能,、增強(qiáng)用戶體驗(yàn),、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(tǒng)的近距離數(shù)據(jù)直接傳輸技術(shù),，D2D會(huì)話的數(shù)據(jù)直接在終端之間進(jìn)行，不需要通過(guò)基站轉(zhuǎn)發(fā),，而相關(guān)的控制信令仍由蜂窩網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé),。蜂窩網(wǎng)絡(luò)引入D2D通信，可以減輕基站負(fù)擔(dān),，降低端到端的傳輸時(shí)延,，提升頻譜效率，降低終端發(fā)射功率,。

5 展望

    在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)勁推進(jìn)下,，通信產(chǎn)業(yè)能力快速提升，根據(jù)移動(dòng)通信的發(fā)展規(guī)律來(lái)說(shuō),，5G技術(shù)將在2018年進(jìn)入測(cè)試階段,，2020年之后實(shí)現(xiàn)商用。今后的幾年中將是確定5G網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵技術(shù),、使用頻段,、技術(shù)指標(biāo)、發(fā)展方向的關(guān)鍵時(shí)期?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系將會(huì)得到重新的整合,，通信系統(tǒng)的頻譜效率、能耗效率將會(huì)得到根本的提高,，設(shè)備終端將更加智能,，網(wǎng)絡(luò)配置和維護(hù)的費(fèi)用將會(huì)更低。演進(jìn),、融合,、創(chuàng)新將會(huì)成為5G移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的主要路線,。

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