移动通信5G进展与关键技术简析论文
摘要：阐述了5G的基本概念及其基本性能指标，在现有移动互联网技术特点基础上，结合市场需求，探讨了5G在全球以及在我国的现状。通过对5G网络研究过程中所面临问题的分析，指出了其在移动互联网技术方面具有的独特优势和在万物互联方面所具有的实用价值。
关键字：5G；移动通信；互联网
1前言
随着互联网技术突飞猛进的发展，移动互联网的更高速、更便捷、更便宜成为人们追求的目标。因此全球对于第五代移动通信技术（5G）的研发正逐步升温。4G最高可以达到100Mbps的上网速率，而5G可达到1Gbps。与4G相比，5G网络更能满足人们对高传输速率的要求。同时，第五代移动通信网络在传输过程中还体现出短时延、低功耗、高可靠等特点。目前全球很多国家都已经开展了5G研发，在前不久结束的世界移动通信大会上中国以及其他国家共19家通信运营商和多家通信设备厂也都加入研[1]究5G网络的队伍，全球5G市场正逐渐开启。
2第五代移动通信进展概述
对于第五代移动通信技术，目前业界尚无清晰而明确的定义。2015年2月11日，IMT-2020（5G）推进组在北京召开的5G概念白皮书发布会中，宣布迫切需要尽快制定全球统一的5G标准以及确定统一的5G概念。根据5G关键能力与核心技术，第五代移动通信技术的概念由标志性能指标和一组核心关键技术来共同定义。其中Gbps用户体验速率为标志性能指标，一组关键技术包括大规模天线阵列、超[2]密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。
2.1主要性能指标
可以用以下几个主要的性能指标来描述5G。（1）数据速率将不少于1Gbps最是基本要求目前4G/LTE的传输速率达到100Mbps，而5G的速率将会达到每秒1Gbps。如果用4G网络下载一个视频耗时1分钟，则5G下载一部高清画质视频只需1秒钟。如果利用手机或平板上在线观看4k视频或将来的8k视频，5G下行速度为其提供了保障。（2）特大的通信容量在每平方公里的地理范围内，无线移动宽带系统的容量比目前4G/LTE增长1000倍，平均每平方公里地理范围内的连接数将不小于一百万个。（3）无线延迟时间要求小于一毫秒两部手机连接的时间在3G网络下为500ms，而4G网络则需要50ms。然而多数瞬时无线应用的时间延迟不能多于一毫秒，比如5G的应用于无人驾驶、汽车行驶中时，当向无人驾驶发送紧急指令时，延迟时间如果多一毫秒，可能就会有危险。因此未来的网路延迟时间应小[3]于一毫秒。（4）可支持的最大移动速度为500km/h4G支持的最大移动速率为350km/h，当以每小时500公里速度移动时，5G服务可保证信号切换不中断。
2.25G发展现状
从通信业的发展轨迹看，网络换代的时间越来越短。1G、2G、3G、4G的更换间隔时间分别为为12年、10年、8年，而从4G到5G，预计只有6年。目前世界上许多发达国家已开展5G的研究工作并制定了相应的研究和发展推进计划，中国、韩国、日本、美国、欧盟都在投入大量资源研发第五代移动通信网络，同时在这两年内世界各国也就5G进行广泛的研讨。5G研发进展飞快，且多个国家对5G的研究都初见成效。欧盟于2014年1月正式推出“5GPPP”（5GPublic-PrivatePartnership）计划，预投入数十亿欧元开发5G技术，并在2022年正式投入运营。三星电子有限公司在2013年已成功开发5G核心技术，并宣布预计将于2020年开始推广商用。韩国科学和未来规划部在2014年1月宣布建立“未来通信产业发展战略”，预算1.6万万亿韩元用于5G的研究，希望在2018年平昌奥运会上首次试演5G应用。日本于2013年10月创建了5G研究组，该研究组已经对5G网络进行了初步探讨。2014年5月8日，日本多个运营商共同合作，开始测试高速5G网络，并预计在2020年开始运作。美国Verizon无线公司在2015年9月7日宣布，将从明年开始试用第五代移动通信网络，两年后在美国部分城市进[4]行商用。2015年9月28日，第五次中欧经贸高层对话会上，我国与欧盟在第五代移动通信网络领域签署战略合作协议。会议再次强调于2020年实现5G网络商用的目标，再次推动了5G技术的发展。中国的5G研究的时间推进表中表示，在明年启动第五代移动通信技术的标准研究，预计在三年内完成第一个版本的标准，把商业应用的起步时间确定为2020年。中国移动、华为、大唐电信、中兴通讯等企业现正投入大量的精力研发5G技术标准。
35G网路前景分析
3.15G在我国前景
虽然目前5G还处在实验阶段，真正商用还要经过几年的时间，但是5G已经成为ICT领域的热点名词。我国在通信技术标准领域经历了第一代空白、第二代跟随、第三代突破、第四代同步、第五代力争取得主导地位的加速发展。3G、4G时代呈现出标准之争的局面在5G情况下是不会出现的，5G技术标准将实现全球统一。我国移动通信技术已经取得一定成绩，在5G国际标准的制定工作中也起到重要作用，需要我国企业在5G网络方面进一步发力，争取中国5G标准能成为世界5G标准。
3.25G三大空口技术
第三代移动通信的空口技术是CDMA，第四代移动通信的空口技术是OFDM，而当进入第五代移动通信时代时，应用更加繁荣，对空口技术要求也更加灵活，因此空口技术的复杂多样性和应变能力变得尤为重要。一个空口必须满足超高清视频要求的每秒1G的带宽、无人驾驶要求的小于1毫秒时延、每平方公里物联网传感器几十万的连接数等业务。而滤波正交波形频分复用（FilteredOFDM，F-OFDM）与稀疏码多址技术（SparseCodeMultipleAccess，SCMA）可作为第五代无线通信技术动态空口的基础。（1）F-OFDM无线通信的基础波形技术F-OFDM是基于子带滤波的OFDM，能够满足5G需求的波形技术。其能满足5G原理是首先先将系统带宽划分若干子带，通过优化滤波器，把不同带宽的子波之间的保护频带做到一个子波带宽，每种子带根据业务需求配置不同的波形参数。支持空口参数配置自动适应5G不同业务。（2）SCMA无线通信的稀疏码多址接入技术通过F-OFDM已经实现了在频域和时域的资源复用，为了进一步提高频谱效率，还可以通过空域和码域的复用来改进。SCMA有两个关键技术：第一个是低密度扩频，即把单个子载波扩频成4个子载波，然后这4个子载波由6个用户共享，用户数据只占用了其中2个子载波，剩余2个空子载波。这就是SCMA中Sparse（稀疏）的含义。第二个关键技术是高维调制，传统的波形调制只有幅度和相位两维，同样，高维调制技术调制的也是相位和幅度，但是最终使多用户的星座点之间欧氏距离拉得更远，大大提高了用户的'解调和抗干扰性能。每个用户使用高维调制的数据稀疏码本，而每个用户的码本系统有记录，这样在不正交的情况下，就可以把不同用户最终解调出来。SCMA通过引入码域的多址，调整了稀疏度，并提高了频谱效率，最终频谱效率可以提升多倍。（3）PolarCode高性能纠错码技术信道编码技术的主要目的是能够可靠的传递数字信号。信道编码技术是在发送信息序列的同时增加额外的校验比特，并在收端采用一定的译码技术，使传输过程中产生的差错以较高的概率进行纠正，从而正确接收发送的信息。过去所采用的多种纠错码技术如RS码、卷积码、Turbo码等都未能达到香农极限。在2008首次提出的极化码是第一种能够被严格证明可达到信道容量的信道编码方法。Polar码具有简单明确的编码及译码算法，所能达到的[5]纠错性已经远远超过Turbo码、LDPC码。
3.35G未来应用
5G的应用不仅仅是上网、打电话，还可以实现万物互联、各行各业的信息相互结合。如智慧城市、智能交通、工业自动化等等，这意味着5G标准不仅仅只与移动通信行业有关。人们通过高科技可以达到“所想即所得”的水平。农民不需要到田里，只需打开手机通过田间摄像头就可以随时查看农作物病害和虫害信息以及田间水量和养分等情况。如果农民种植过程中遇到问题，可以把田间的情况通过发送视频给远方专家，直接等待回复。当在用手机看足球比赛的直播时，赛场周围安装了大量高清摄像头，视频信号通过5G网络从遥远的球场瞬间传到手机或平板上，只需用手指随意划动屏幕，画面就会随着手指的移动而发生变化，就可以享受观看全方位的比赛。
3.45G面临问题
5G虽然在未来几年就会被商用，但仍有许多问题有待解决。（１）5G网络的主要问题依然是技术问题目前的4G网络的技术仍存在着许多问题，如果问题不解决势必影响5G的普及。比如信号受障碍物影响较大，在偏远的山区网络还未普及，在地铁站、地下室、图书馆以及火车车厢等人群密集的场所，存在覆盖不到或信号差等问题。（２）手机存储读写速度问题人们很容易忽视掉现有的手机存储芯片的写入速度根本无法达到5G网络需要的速度，即使5G网络被商用，也会因为手机读写速度受到限制，人们体验不到其在速度上的优势。在移动互联网快速发展的时代，5G将支持更打范围的信息服务互联和应用，除个人消费业务外，还可以满足更多的企业和社会需求。可以预测，5G虚拟现实、5G智能车联网、远程遥控、紧急救援等领域，将可借助5G技术得到推广。
参考文献
[1]网优雇佣军.4G还没建完我们为什么需要5G[EB/OL].
[2]IMT-2020(5G)推进组.5G概念白皮书.2015-2.
[3]李远东.全球5G研发现状[EB/OL].[2014-11-17].
[4]高芳,赵志耘.全球5G研发现状概览[J].全球科技经济瞭望,2014(7):59-61.
[5]深度解读华为5G空口新技术：F-OFDM和SCMA.电子产品世界：
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