摘要：随着运营商开始规模部署4G网络，无线网络向4.5G/5G演进的时间窗口已越来越近。文章从未来网线业务特征及需求出发，关注 5G无线网络关键技术，为未来5G技术应用提供参考。
关键词：物联网 5G；关键技术；发展变革
前言：随着互联网的进一步发展，4G用户占比快速提升，无线网络已经从2G/3G向4G时代演进，运营商4G站点规模已远超 2G和3G站点，4G网络覆盖范围也赶超3G，但是面对未来数据流量的几何级增长需求，4G带宽将成为发展的主要瓶颈。面对未来无线网络大带宽、全覆盖、多连接和低时延等特性，现有网络覆盖、网络架构和技术将无法满足未来业务发展的需求，5G网络应运而生。
1.5G发展需求分析
未来无线网络将以移动互联网与物联网为主要驱动力。根据相关报告，移动互联网和物联网在面向2025年最具商业影响力的技术中排名第一和第三。移动互联网注重良好的用户体验，包括流类、会话类、交
互类、传输类业务，其中流类和会话类业务将不断向超高清、3D及身临其境显示方向发展，要求极高的流量密度及较低的时延；交互类业务则趋向于增强现实、虚拟现实发展，带来大量数据交互；传输类云存储及消息类OTT同样有极大带宽需求。物联网主要是人与物，物与物的通信。智能家居、智能农业、智能交通、工业控制、视屏监控等对网络提出了海量设备连接、高可靠低时延等变革性要求。
2.5G关键能力需求
5G不仅仅是一次技术升级，它将为我们搭建一个广阔的技术平台，催生无数新应用、新产业。5G三大应用场景包括增强移动宽带、大容量物联网、低时延高可靠通信，要实现这三大应用场景，5G的关键能力需求包括：（1）更小时延：进一步减小端到端的时延，降低到 4G时代的1/30甚至1/50，达到1ms；（2）100倍峰值速率：5G峰值速率在4G基础上提升10倍，达到10Gbps；（3）100倍连接器件数目：物联网、D2D业务等将成为网络发展的主要驱动力，多连接数将呈爆炸性增长趋势；（4）更好的移动性：移动性达到500km/h，实现高铁环境下的良好用户体验；（5）引入NFV，SDN：新的网络架构，网络切片，网络能力开放。
3.5G关键技术
3.1 5G频谱我国2020年频谱需求总量为1490~1810MHz，目前已规
划IMT频率总计687MHz，其中TDD频率345MHz，FDD频率342MHz，477MHz频谱已分配给运营商提供2G/3G/LTE服务，结合频谱预测结果，到2020年我国的频谱缺口达800MHz。6GHz以下频段已经十分稀缺，很难再为5G分配新的频谱资源。而更高的频谱带来更大的带宽，因此高于6GHz频段成为5G重要的候选频段。预计高于6GHz的频谱分配会成为WRC-19新议题。除了授权频谱外，还可用授权辅助接入方式利用非授权频谱。授权辅助接入（Licensed Assisted Access ），利用载波聚合技术，聚合授权频谱和免授权频谱，通过授权频段载波辅助的方式将LTE系统拓展至资源丰富的非授权频段使用，以较低成本满足不断增长的数据业务需求，同时保证基础运营商的授权频谱价值，与现有WIFI网络和谐共存。授权频段作为主载波单元（PCC）传送关键信息和保证QoS，免授权频段作为辅载波单元（SCC），提供额外的无线资源，关注的非授权频段主要集中在5GHz。
3.2 新空口技术：
（1）大规模天线。采用大规模天线阵列，实现精准的窄波束覆盖用户，支持更多的用户在时频资源上复用，提高整体频
谱效率。通过精确的波束赋形，可提升终端接收信号能量，从而提升覆盖能力和用户速率；通过水平和垂直维度区分，可同时服务更多用户，提升小区平均吞吐量，因此Massive MIMO被认为是最具备在近中期应用价值的5G新技术。
（2）新型多载波。和4G主要关注移动宽带业务不同，5G的业务类型丰富，尤其是大量的物联网业务，新型多载波需要更好地支持新业务，具有良好的扩展性。F-OFDM：基于子带滤波的多载波技术，可满足5G不同的业务需求。将系统带宽划分若干子带，每种子带波形资源块参数可扩展变化，灵活应对不同场景求，子带之间只存在极低的保护带开销，提升频谱利用率。各子带通过滤波器进行滤波，从而实现各子带波形的解耦。F-OFDM具有以下优点：资源块参数可扩展变化，灵活应对不同场景，满足不同业务类型对资源的需求；极低地保护带宽需求，充分利用零散窄带资源，提升频谱利用率；放松对时域和频域同步的要求，允许低成本终端接入，降低接入终端成本。
1.新型多址。新型多址技术通过多用户的叠加传输，然后在接收端用先进的算法分离用户信息，从而有效地提高系统频谱效率，增加系统的接入容量，可解决海量的设备连接带来的挑战。此外，通过免调度出书，还可大幅度降低时延。稀疏编码多址接入（SCMA ）通过引入稀疏码本，通过码域的多址实现了频谱效率提升。该方案通过低密度扩频让多用户共享载波，然后通过调制相位和幅度，拉远多用户星座点间的欧式距离，增强多用户解调和抗干扰性能。由于用户的数据都使用系统分配的稀疏码本进行了高维调制，而系统又知道每个用户的码本，就可以在不正交的情况下，把不同用户最终解调出来。
2.超密集组网。未来移动数据业务飞速发展，尤其是热点区域的流量需求一直是运营商亟需解决的问题，而由于低频段频谱资源的稀缺，仅仅靠提升频谱效率无法满足移动数据流量增长的需求，所以增加单位面积内微基站密度是解决热点地区移动数据流量飞速增长的最有效手段。超密集组网可以带来可观的容量增长，但在实际部署中，站址的获取和成本是超密集小区需要解决的首要问题。而随着小区部署密度的增加，除了站址和成本的问题之外，超密集组网将面临干扰、移动性、传输资源等方面的挑战。对于超密集组网而言，小区虚拟化技术、接入和回传联合设计、干扰管理和抑制是三个最重要的关键技术。
3.编码技术。目前5G主流的编码技术是Polar码和LDPC码。3GPP 已经确认5G中eMBB控制信道的编码方案为Polar码，而长码编码方案LDPC码。Polar码是唯一理论上能够达到香农限的信道编码，具有较低的编译码复杂度，其核心思想是信道极化理论。而LDPC码基于置信传播的译码算法本质上是并行算法，有利于硬件的并行实现，可以达到很高的译码速度，码字之间的码距较大，不可检测错误少，性能接近香农限，可以达到很高的码率。
4. 5G网络对物联网产生的变革
4.1 统一标准，变革的起步。在3GPPRAN第187次会议关于5G短码方案讨论中，中国华为推荐的PolarC ode（极化码）方案获得认可，成为5G控制信道eMBB场景编码的最终解决方案。相比4G时代的追赶者者，如今的中国已成为5G标准的领导者。但这只是万里长征第一步，今后的标准制定，必须要考虑到多网络、多系统融合，才能使物联网随着5G时代的来临，发生技术上、功能上、体验上的颠覆性变革。同时，可以更深层次推动通信模块、网络制式、发射频段的标准统一化，降低物联网设备入网门槛。
4.2 拓展传统网络协议及技术指标，5G不再单纯地强调峰值速率，而是综合考虑8个技术指标：峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接数密度、网络能量效率和流量密度。在终端密集性极高的物联网，相邻网络节点之间的距离非常短，且不 同终端的通信模块在频率、制式等技术指标上还略有差异，这与传统网络协议算法有很大的不同，有必要对传统网络协议进行改进，或设计一个全新的、兼容性强、可用性高协议算法来解决问题。
4.3 提升安全性和同步性，万户互联，意味着每时每刻入网的终端都会以指数级倍增，从终端和接口的层面来说，物联网带来的信息安全、网络安全乃至国家安全问题更加突出，使得物联网的安全防护成为一个迫在眉睫的课题。不能简单的将物联网安全等同于传统意义上的网络安全，应该从标准、技术、硬件等几个方面，应用数据同步、云计算等新技术，探索安全防护手段。同时，也应该严格入网检测体系，形成一套切实可行的入网检测模式，对于达不到安全标准的设备，限制其入网。
5.5G网络为物联网发展带来的优势
5.1 突破网络瓶颈限制，5G网络建成后，速率将会是4G网络的100倍，意味着以手机、平板为代表的移动终端，信息获取的标准质量会有质的提高。从智能家居的角度来看，信息获取会从4G网络的控制信号转变为多元信息，为云计算、大数据等新兴技术与物联网的融合奠定基础，从而迈向智能化时代。
5.2 覆盖面扩大，实现万物互联，5G网络采用的高频段传输技术、多天线传输技术、设备间直接通信技术，在增强了传统蜂窝数据网络模型的同时，也加强了终端与终端之间的通信手段，在增强了传统网络结构的基础上对网络的覆盖面、频段的使用率的基础上，大大减小了终端通信模块体积，且融入了智能交互的技术保障。植入性能的提高，为更多终端入网提供了条件，真正意义上实现了万物互联。更能够为5G网络的人性化、个性化创新提供思路，比如低功耗、低辐射、低噪声，都是5G网络进步的关键因素。
5.3 驱动创新思维，由于网络瓶颈的突破，许多在4G网络无法实现的功能得以实现，将会对新技术的研发带来更高的平台，如智能导航驾驶、人工智能、虚拟现实等高科技研发和应用，都必将得到突破性进展。这就会引发大量关于5G网络、物联网的技术创新思维，众多的新兴技术应用会不断涌现，将物联网的作用发挥到极致，更好的服务社会。从长远来看，5G网络也不是网络发展的终结，而是更高的起点，随着5G网络和物联网的深度融合与革新，下一代网络的实现也并不遥远，而物联网的升级版和创新技术都将指日可待。
结束语：5G与物联网是相互发展，共同进步，又相互依赖的两项技术，共同组成了智能化网络应用体系，中国需要明晰通信技术与物联网共生的定位，5G网络为物联网提供了良好的进步环境和空间，物联网也为5G网络的发展提供了现实依据。相信在2020年左右，随着5G网络投入商用，将会引爆新一轮的技术革新，万物互联的时代将会有更多新奇的技术和工作生活方式等着我们去探索。
参考文献：
[1]张平. 5G若干关键技术评述{J}.通信学报，2016（07）
[2]钱志鸿. 物联网技术与应用研究{J}.电子学报，2012（05）
[3]刘锦. 我国物联网现状及发展策略{J}.企业经济，2013（04）
论文作者:任鹏星
论文发表刊物:《基层建设》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/15
标签：频谱论文; 网络论文; 频段论文; 终端论文; 技术论文; 载波论文; 需求论文; 《基层建设》2018年第1期论文;