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5G无线通信技术发展与应用

发布时间:2019-07-07 04:50 来源:未知 编辑:admin

  随着时代的大迈步前进,移动通信技术得到了迅猛的发展,由3G到4G,再到新兴起的5G,技术的进步对人们的生活以及工作有着非常大的影响。互联网用户逐年递增,使得现代移动信息数据的需求愈加庞大,促使5G技术的快速发展和应用。

  移动通信系统每一次更新换代都有颠覆性技术引领,每一次更新换代都解决了当时的最主要需求,1G时代最主要的需求是系统容量,采用模拟蜂窝加上FDMA技术。1G时代的特点:以频率复用为基础,以频带划分小区;频率受限,需要严格的频率规划;以频道区分用户地址。2G时代最主要的需求是高质量的话音业务以及系统的容量问题,采用数字化技术与TDMA技术,如数字语音编码技术,是2G移动通信的主要突破,TDMA技术使得每个用户占用一个时隙,提高系统容量。3G时代最主要的需求是多媒体业务以及系统容量,采用Turbo码和CDMA技术,Turbo码在3G的应用,使得3G能够支持多媒体业务,打破了2G只支持话音和短消息业务的局限,CDMA使得每个用户使用一个码型,频率/时间共享。到4G时代最主要的需求是高质量多媒体业务以及更大的系统容量,采用OFDM-MIMO+空分多址SDMA技术,MIMO有效地实现了新的空域的开发,使得频谱效率得到更多的提高;比之CDMA,OFDM传送数据的速度更快,可以更好地实现在无线传输环境中的多径效应。当前互联网用户日益增多,移动通信技术面临着容量不足,能耗高且用户体验不足等问题,成为促使5G技术发展进步的主要推动力。

  移动通信技术的发展历程显示,容量不足从始至终就是无线通信技术进步中的显著问题,5G会遭遇更大的容量需求与频谱赤字问题,按照相关机构的预测,在未来智能终端的普及与通信数据增加,会使得移动通信业务量每年以将1倍的速度增加,将来十年数据业务量会比之现在增长一千倍。巨大的容量增长,对未来移动通信技术的发展提出了非常大的挑战,5G时代的开启迫在眉睫。

  若想实现千倍的容量增长需求,可以在频谱数量,频谱效率以及基站的数量上采取应对措施。实现更多的频谱,更高效的频谱效率或者更多的基站来实现对容量不足问题的解决。

  新频谱开发是以新频谱电波特性的测量与建模为基础进行研究,研究集中在较高的频段,在更小小区更为适用。比如在6~15GHz频段,这个频段的空间隔离性较好;60GHz毫米波,这个频段的频宽较高,但是没有较好的穿透性;频谱共享能够实现频谱的智能使用等。频谱共享技术指的是运营商内RAT间频谱共享、运营商间频谱共享、免授权频段共享、次级接入频谱共享。但是新频谱开发也面临着诸多挑战,主要来自旧有的频谱分配造成的阻力,一般是利用行政分配或者采用拍卖的办法,进行静态频段的分配,已有的频谱已经被分配完毕。传统的静态频谱分配存在着以下几个问题:①现有的频谱使用并不均衡;②有着时间、频段以及空间的多维利用漏洞;③对于频谱的利用率很低。为解决上述问题,要实现动态频谱,改变旧有分配频段的约束,与时-频-空多维频谱的动态分配相结合,推动频谱资源利用的智能化,以便令频谱的利用更加的高效率,实现最大程度的频谱利用。具体要实现,要从政策监管部门、设备制造商以及电信运营商三个方面入手:频谱分配政策由固定分配与行政指派向动态频谱分配政策转变,频谱管理将更加智能与灵活,设备认证管理及非法设备核查能力提升,需要克服政策的阻碍,与相关部门同心协力,打造更完善的通信监管政策。对已有的核心网、接入网设备进行升级更新以便能够支撑识别等新的应用功能,扩展终端以及基站的射频模块的工作频段,高性能的滤波器的开发研究等还必须有设备制造商的大力支持。智能、高效协调授权的静态频谱和动态分配的频谱使用,对具备动态频谱功能的终端设备进行网络接入过程的有效管理和控制还需要电信运营商的鼎力协助,因此开发新频谱是一个任重道远的任务。

  移动通信传统工作频段十分拥挤,而大于6GHz的高频段可用频谱资源丰富,能够有效缓解频谱资源紧张现状,可以支持极高速短距离通信。非常大的带宽资源,能够有效地提高网络速度,提升用户体验。可以利用高频实现蜂窝接入,实现基站和基站之间的回传等。采用高频段传播特性、信道测量与建模、高频段的射频和天线关键技术、以及网络架构与组网技术的方案实现高频段信号传输。

  该技术是利用发送端与接收端的联合设计,在发送端使用功率/空间/编码等多种信号域的单独或是联合非正交特征图样进行其用户的辨别,在接收端采用SIC方式完成准最优的用户检测。非正交多址接入技术对于大容量持续业务信道,使系统整体频谱效率提升1~2倍;对于大容量随机突发业务,缩短数据包传输时延并提升用户接入体验。

  无线传输的媒介是电磁波,而新的电磁波物理特性的利用可能带来无线通信的时代变革。电磁涡旋波可由调制后携带信息的普通波通过波束扭转方法得到,将电磁涡旋波恢复为普通调制信号的过程可以理解为“逆涡旋”,由此产生了电磁涡旋波,将电磁涡旋应用于无线通信,由瑞典物理研究所得BoThide教授于2011年采用抛物面天线与八木天线试验,证明了其无线传输技术的可行性。但是该技术对方向性以及传播环境有着严格的要求。

  当基站侧天线数比用户天线数大出很多,基站到各个用户的信道就会接近于正交状态。同时,通信用户之间干扰会接近于无,而巨大的阵列增益将能够有效地提升每个用户的信噪比,从而能够在相同的时频资源共同调度更多用户。可以通过建立面向异构和密集组网的massiveMIMO网络构架与组网方案,采用MassiveMIMO物理层关键技术、大规模有源阵列天线技术以及大规模天线与高频段的结合来实现大规模天线技术,适用于城区宏覆盖、高层建筑、室内外热点等应用。

  5G移动通信技术是目前最为前沿的技术,在国内乃至世界都有着非常高的应用价值,5G无线通信技术具有兼容性好以及速率快等优点,在WIFI通信技术等领域有着非常广泛的应用。并且5G的高兼容性以及高安全性,令其在网上支付领域有着广阔的前景,在目前的无线支付领域,产生了概念型产品,最有代表性的就是比特币,其是P2P模式下出现的一类虚拟货币,利用网络节点有效地实现其交易行为,5G在其领域会得到非常有效的应用。本文就5G移动通信技术的发展与应用进行了详细的探讨,总结了目前5G技术面临的主要问题和巨大挑战,并对其相应的解决方案和技术进行分析,希望能对目前全世界关注的5G移动通信技术做一些贡献,促进5G移动通信技术的进步与广泛应用。

  [1]皮和平.5G无线通信技术的关键技术应用研究[J].通信电源技术,2019,36(02):215-216.

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