從 4G 通信技術(shù)發(fā)展看 5G

摘 要 全球移動(dòng)用戶(hù)數(shù)量的增加以及用戶(hù)對(duì)速度和通信質(zhì)量要求的提高 ，直接促進(jìn)
了通信技術(shù)的飛速發(fā)展。 追溯 4G 通信系統(tǒng)的興起，通過(guò)對(duì) 5G 技術(shù)和當(dāng)前新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的總結(jié)分析，預(yù)估未來(lái) 5G
網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。 雖然目前業(yè)界對(duì) 5G 的候選技術(shù)仍有爭(zhēng)議，但總體來(lái)看，5G 的未來(lái)機(jī)遇大于挑戰(zhàn)，具有巨大的發(fā)展前景，同時(shí)，4G 的日趨成熟也會(huì)為 5G 的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞 4G；5G；5G 網(wǎng)絡(luò)框架

1 4G 通信系統(tǒng)的興起
追溯通信系統(tǒng)的發(fā)展， 從最初的模擬蜂窩通信
（1G）到以 GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）和 IS95 為代表的第二代通信 （2G）， 隨后又到 TD-SCDMA、WCDMA 和
cdma2000 三足鼎立的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G），人們已經(jīng)不滿(mǎn)足 3G 所帶來(lái)的信息沖擊， 只有發(fā)展新技術(shù)才能滿(mǎn)足用戶(hù)更加多樣化的需求，因此，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)
（4G）應(yīng)運(yùn)而生。 隨著 2013 年 4G 牌照的下發(fā)和各大運(yùn)營(yíng)商對(duì) 4G 業(yè)務(wù)的逐漸推進(jìn)，一個(gè)更快的 4G 時(shí)
代已經(jīng)逐漸滲透進(jìn)人們的生活中。 從 1G 到目前商用的 4G，接入網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率提升了一萬(wàn)倍，其演進(jìn)過(guò)程是有跡可循的， 接入網(wǎng)在不同通信系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)
傳輸速率如圖 1 所示。

圖 1 接入網(wǎng)在不同通信系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)傳輸速率

4G 通信目前正處在發(fā)展高峰期 ， 其主流標(biāo)準(zhǔn)
LTE-Advanced（long term evolution-advanced）包括 LTETDD （ time division duplexing ） 和 FDD （ frequency division duplexing）LTE 這 2 種制式。 目前，中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商拿到的都是 LTE TDD 制式的 4G 牌照。
4G 的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基于 IP，可以支持不同的接入技
術(shù)，其憑借高速率、高智能性以及高覆蓋性的特點(diǎn)正在逐漸
取代 3G 時(shí)期的傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。 其核心支撐技術(shù)，如OFDM、MIMO、軟件無(wú)線(xiàn)電、智能天線(xiàn)等，保證了
4G 用戶(hù)在各種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)速率、可靠性和節(jié)能等要求。 更快的速度和更高的安全性給用戶(hù)帶來(lái)了更好的通信
體驗(yàn)。 我國(guó)正處于 4G 技術(shù)商業(yè)應(yīng)用的高速發(fā)展階段， 4G 網(wǎng)絡(luò)的巨大投資給網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化行業(yè)帶來(lái)了
廣闊的市場(chǎng)空間。

2 5G 候選通信技術(shù)
移動(dòng)通信技術(shù)隨著用戶(hù)需求的飛速膨脹， 也在不斷地更新?lián)Q代。全球 4G 建設(shè)部署方興未艾，5G 也隨著新型技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究開(kāi)發(fā)在全球開(kāi)啟大幕。

IMT-Advanced （ international mobile telecommu-nications-advanced）提出，5G 在提高接入速率和連接能力、降低時(shí)延等方面會(huì)提升不止一個(gè)臺(tái)階，其網(wǎng)絡(luò)承載力將是 4G 的 1 000 倍。 1 000 倍的數(shù)字振奮行業(yè)上下，三星提出未來(lái) 5G 系統(tǒng)的上下行峰值速率能夠達(dá)到50 Gbit/s 和 25 Gbit/s， 小區(qū)頻譜效率提升到 10 bit/s/Hz，端到端時(shí)延降低到 1 ms，而且用戶(hù)速率、移動(dòng)性、能量效率和業(yè)務(wù)流量等性能指標(biāo)也會(huì)比 4G 時(shí)期更加優(yōu)化。華為也指出：在速率方面，5G 依賴(lài)超容量的帶寬，短距離傳輸速率將達(dá)到 10 Gbit/s， 是 4G 的 100 倍；在應(yīng)用方面，要構(gòu)建 1 000 億海量連接世界。 5G 技術(shù)使用可以拓展到 90 GHz 的頻譜，大大釋放頻譜資源。 另外，中興提出：5G 能實(shí)現(xiàn)“人與人”、“人與物”及“物與物”之間的無(wú)縫高速連接。5G 網(wǎng)絡(luò)不僅要提升速度，更應(yīng)該著重建設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)社會(huì)，這些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠以低成本、多樣化的服務(wù)來(lái)支持龐大的數(shù)據(jù)流量。

不斷發(fā)展的通信技術(shù)是擁有更高速率和更高用戶(hù)體驗(yàn)的 5G 系統(tǒng)的核心支撐力， 為其奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。下面對(duì) 5G 候選技術(shù)進(jìn)行分析和討論。
2.1 Massive MIMO
Massive MIMO 基于傳統(tǒng)的 MIMO 技術(shù)，基站配置的天線(xiàn)數(shù)目達(dá)到傳統(tǒng)天線(xiàn)數(shù)目的 100 倍。 其多天線(xiàn)的特點(diǎn)不僅降低了發(fā)送功率，還減緩了干擾，讓網(wǎng)絡(luò)的容量增加了 10 倍，同時(shí)，百倍地提高了網(wǎng)絡(luò)的能量效率。 除此之外，該技術(shù)還有低成本、低時(shí)延、簡(jiǎn)化 MAC層、高健壯性等特點(diǎn)。

Massive MIMO 技術(shù)的提出可以很好地提高網(wǎng)絡(luò)的有效性和可靠性。 但是，如果要在實(shí)際應(yīng)用上開(kāi)發(fā)出更多潛能，還有很多問(wèn)題需要考慮，如計(jì)算的復(fù)雜性、分布式處理算法的實(shí)現(xiàn)、天線(xiàn)單元的同步問(wèn)題等。所以，無(wú)論是在科研理論方面， 還是在商用方面，Massive MIMO 都還有很長(zhǎng)一段路要走 ， 但其潛能很大，前景需拭目以待。
2.2 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)
認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電（cognitive radio，CR）的核心思想是系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)能力，能夠感知授權(quán)用戶(hù)的存在，機(jī)會(huì)式地接入可用資源，并限制和降低沖突的發(fā)生。 如果將認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電應(yīng)用在蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，低功率節(jié)點(diǎn)就可以伺機(jī)占用宏基站的可用資源，無(wú)需授權(quán)，靈活高效。

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)被認(rèn)為是繼軟件無(wú)線(xiàn)電之后，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的 “下一件大事 ”，因此受到了極大關(guān)注。目前，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)雖然仍處于研究階段，技術(shù)和應(yīng)用方面都有很多難題需要解決， 但隨著研究的深入，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)憑借其在動(dòng)態(tài)頻譜使用方面的優(yōu)勢(shì)以及與蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景結(jié)合所帶來(lái)的巨大潛能，一定能在 5G無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域里大展拳腳。
2.3 SON 技術(shù)自組織網(wǎng)絡(luò)（self-organized network，SON） 技術(shù)是一種智能的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維技術(shù)。 SON 的主要功能是自配置、自?xún)?yōu)化、自治愈。

SON 技術(shù)可以緩解由于多制式網(wǎng)絡(luò)共存所帶來(lái)的網(wǎng)
絡(luò)運(yùn)維效率低、網(wǎng)絡(luò)成本加大的難題，并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋面
積、容量和通信質(zhì)量。 未來(lái)，SON 技術(shù)將繼續(xù)成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)，應(yīng)對(duì)多樣化新需求和新應(yīng)用的出現(xiàn)。但同時(shí)也帶
來(lái)了難題，如 SON 能否滿(mǎn)足 5G 系統(tǒng)中異常復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的運(yùn)營(yíng)、管理和優(yōu)化需求，這將會(huì)對(duì) SON 的發(fā)展和部署構(gòu)成很大的挑戰(zhàn)。

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