5G移动通讯发展历程与相关技术的应用

5G移动通讯发展历程与相关技术的应用

钱程

中国计量大学  浙江 杭州  310000

摘要：第五代通讯系统即5G是继4G之后新一代的移动通讯系统，它相比于4G具有更大的带宽，更低的时延，更高的基站密度等特点，这决定了5G技术的大规模应用必然引发信息领域新变革。本文主要阐述大规模MIMO天线技术、全双工技术等正处于探索阶段的5G相关技术以及5G通讯的发展历程。

关键词：5G；移动通讯；发展历程；大规模MIMO；全双工技术；

1  概述与发展历程

5G即第五代移动通讯系统，是随着通讯需求提高而发展的新一代移动通讯系统，它具有比4G更低的时延、更高的能效等特点，同时它的频谱利用率也很符合需求，它将与前几代移动通讯系统一起构成移动通讯网络以为客户提供全方面，高品质的服务。5G还具有网络自调整、自感知等功能，显著提高资源利用率。5G高频率、短波长的特点决定了5G基站的高密度，可以在终端设备高密度区域满足海量传感器、机器连入互联网的需求。同时在电力物联网方面也可以提供服务[1]。这将极大地推进物联网的发展，使大量设备互相感知、控制、传输数据成为可能。

5G通讯正在从构想变成现实，自2013年2月，欧盟成立METIS项目并且拨款5000万欧元用以加速5G通讯的发展。在METIS中共有29个成员参与，其中包括华为。同年6月与次年3月，我国863计划（国家高技术研究发展计划）分别发起了5G重大项目第一期与第二期[2]。2017年底，3GPP开始着手制定5G标准。2019年3月，R15，即第一版的5G通讯标准版本正式在3GPP确立并冻结，这也是目前全球范围内正在启用中的5G商业化应用。2020年7月，R16也在3GPP顺利通过并冻结。2019年年末，R17作为下一阶段的5G标准正式立项，预计将于2022年6月完成项目并冻结。

2019年十月，我国首个民用商业化5G套餐发布，5G正式进入商业化时期。在这段时间里,5G进入了一个脱离实验室，走向复杂工作环境的发展新时期，这加速了5G技术的发展，随着5G的逐步成熟，5G呈现出以下新的特点。

1）5G重视区别于前几代移动通讯系统的用户体验，对VR、3D、交互式游戏等新兴项目的承受能力成为了对5G系统新的要求。

2）5G区别于前几代移动通讯系统“以室外覆盖为重心，兼顾室内”的建立方针，着重加强室内小范围高密度的应用场景。

3）5G相比于前几代通讯系统，弱化了覆盖范围需求，强化了信号密度需求，这带来了5G的自调整[3]需求，根据用户业务强度等数据灵活调整资源，降低成本提高效率。

2  大规模MIMO技术

多天线技术在提高信号频谱效益中被证实是一项有效手段[4]，时至今日，多天线技术凭借高可靠性、高频谱效益被应用于多种无线通讯系统比如无线局域网、无线城域网、3G系统等。当使用大量天线接收信号与发射信号时，信道容量与接收端与发射端中天线较少的一端的天线数量近似成正比关系[5]。也就是说增加天线数量可以有效地扩大信道容量且不存在边际效应。但在实际应用中，由于多天线对空间需求以及实地环境的复杂情况，不论是接收端还是发送端的天线数量都不会太多，比如LTE-A中使用了八根天线[6]。但在移动通讯领域，发送端空间环境上的限制较小，大规模MIMO技术以其高可靠性、大信道容量，走上了研究人员的日程安排。2010年，贝尔实验室着手研究大规模MIMO技术并提出了大规模

MIMO的概念[7]。大规模MIMO中，基站的天线数量会比传统系统高一到两个量级[8]，这样大量的天线可以分布式的安置在多个节点，也可以集中在同一个基站上[9]。

大规模MIMO技术的优势具体体现在以下几点，首先，大规模MIMO技术通过大量天线实现提高频谱效率的提升[10]，相比于提高基站密度或者带宽等方法，MIMO技术应用更简单成本也更低。其次，大规模MIMO由于其特性可以将电磁波集中以抗干扰[11]。最后，大规模MIMO相比传统MIMO即使降低功率仍然能够正常工作，提高了能效比[12]。

3  全双工技术

全双工技术即使用同一传输通道在同时间、同频率下进行双向交互的通信技术。然而在目前的无线通信领域中，信号发射端和信号接收端之间存在发射信号对接受信号的干扰，因此在目前的无线通信系统中，同时间同频率的双向通信在技术上是没有条件可能的。双向通信只能在不同时间或者不同频率下进行即TDD和FDD。由于这一限制，理论上造成了通信资源的闲置浪费。因此全双工技术拥有巨大的发展前景也成为了当下的研究热点之一。全双工技术成为了一个在5G系统中充分利用无线通信资源的方向。

[1]王毅,陈启鑫,张宁,冯成,滕飞,孙铭阳,康重庆.5G通信与泛在电力物联网的融合:应用分析与研究展望[J].电网技术,2019,43(05):1575-1585.

[2]张平,陶运铮,张治.5G若干关键技术评述[J].通信学报,2016,37(07):15-29.

[3]李继蕊,李小勇,高云全,高雅丽.5G网络下移动云计算节能措施研究[J].计算机学报,2017,40(07):1491-1516

[4]林泓池,孙文彬,郭继冲,麻津铭,周永康,于启月,孟维晓.5G先进技术研究进展[J].电信科学,2018,34(08):34-45.

[5]罗勇,石丹,王冠,刘晓勇.5G基站电磁辐射[J/OL].太赫兹科学与电子信息学报:1-4[2021-05-09].http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1746.TN.20210330.1052.002.html.

 3GPP. Physical Channels and Modulation (Release 11). 3GPP TS36.211. 2010

 Marzetta T L. Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas. IEEE Trans Wirel Commun, 2010, 9: 3590–3600

[6]尤肖虎,潘志文,高西奇,曹淑敏,邬贺铨.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学:信息科学,2014,44(05):551-563.

[7]陈常山. 大规模MIMO无线网络性能分析和干扰管理技术研究[D].东南大学,2019.

[8]周子钰,景小荣.无小区大规模MIMO系统中基于叠加导频的上行频谱效率理论上限分析[J].信号处理,2021,37(04):661-668.

[9]王东明,张余,魏浩,尤肖虎,高西奇,王江舟.面向5G的大规模天线无线传输理论与技术[J].中国科学:信息科学,2016,46(01):3-21.

 Ngo H Q, Larsson E G, Marzetta T L. Energy and spectral efficiency of very large multiuser MIMO systems. IEEE Trans Commun, 2013, 61: 1436–1449

 Mohammed S K, Larsson E G. Per-antenna constant envelope precoding for large multi-user MIMO systems. IEEE Trans Commun, 2013, 61: 1059–1071

[10]金思年. 大规模MIMO系统的线性传输技术性能研究[D].大连海事大学,2021.

[11]余莉,张治中,程方,胡昊南.第五代移动通信网络体系架构及其关键技术[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2014,26(04):427-433+560.

[12]MA Zheng,ZHANG ZhengQuan,DING ZhiGuo,FAN PingZhi,LI HengChao.Key techniques for 5G wireless communications:network architecture, physical layer,and MAC layer perspectives[J].Science China(Information Sciences),2015,58(04):5-24.

作者简介：钱程（1999.11-），男，汉族，上海，本科在读，研究方向：太赫兹技术。