谈5G时代移动通信技术发展进程

【摘要】文章通过对历代移动通信技术特点的对比，分析总结了移动通信技术的技术的发展规律及驱动力，并结合当前5G网络建设，研究了下一代及未来移动通信的发展趋势。

【关键字】移动通信；发展进程；5G；未来趋势

2019年6月6日工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，至此移动通信网正式迈入第五代。从第一代（1G移动通信）发展到第五代移动通信（5G）经过了30多年，经历了从模拟到数字、语音到数据的演进，网络速率千万倍增长。回顾其发展进程及技术特点如下。

一、移动通信发展历程

（1）第一代移动通信（1G）是模拟蜂窝系统，实现了人类真正意义上的移动通信。其主要特点是采用频分复用（FDMA）模拟制式，语音信号为模拟调制；由于采用了蜂窝结构，频率可以重复利用，通过小区分裂，有效地控制干扰，提高了频谱利用率，从而有效地提高了系统的容量。但由于1G采用模拟信号传输，传输速率仅为2.4kb/s,容量非常有限，一般只能传输话音信号，不能提供非话音业务，且存在制式多、互不兼容、不能提供自动漫游、通话质量不高、保密性差等问题。（2）第二代移动通信（2G）是窄带数字蜂窝系统，提供数字化的话音业务及低速数据业务，是当今移动互联网发展的基础。采用信道编译码与数字调制解调等数字电路技术，克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到很大提高，支持多种业务服务，并可进行省内、省际自动漫游；由于采用数字调制技术，其系统的容量增加、干扰减小，并且可以以较低的速率14.4kb/s实现文字信息的传输；采用时分多址和码分多址方式，相对于1G进一步提高了频谱利用率。随着业务需求的增加和数据速率的提高，2G移动网络业务范围有限、速率不足的弱点突显。2.5G（GPRS、IS-95B）和2.75G（EDGE）技术的引入使移动通信和互联网有机结合，理论数据传送速率提高到115/384kbit/s，初步具备了支持多媒体业务的能力，可以发送图片、收发电子邮件等。但第二代通信系统采用电路交换的通信方式，最明显的缺点就是无线资源被大量占用，数据承载业务速率较低，QoS能力有限，无法承载高速、宽带的数据传输，因而无法实现真正意义上的多媒体业务需求，而且各国采用的2G标准不统一，无法实现全球漫游。（3）第三代移动通信（3G）为中速数据业务的实现和质量提供了保证。采用Turbo信道编译码及扩频调制解调等技术，解决了中速业务信号传输的稳定性问题。3G移动通信系统采用更先进的宽带码分多址技术，并在更高频段使用更大的系统带宽进行数据发送，因而其数据传输速率、频谱利用率得到进一步提升，传输的稳定性大大提高，使大数据的传送更为普遍，能够达到高速车载环境下384kb/s、低速或静止状态下2Mb/s的速率，是2G时代的140倍，因此可提供多样化、个性化业务，并向多媒体化、个性化、智能化、分组化方向发展。因此3G被视为是顺应移动互联网的发展，开启了移动通信新纪元。第三代移动通信系统的通信标准有WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA三大分支，存在互不兼容的问题，且3G的频谱利用率还比较低，不能充分地利用宝贵的频谱资源；3G支持的速率不够高，远远不能适应移动通信业务高速发展的需要。（4）第四代移动通信（4G）即宽带数据移动通信技术，解决了移动通信高速业务的稳定性问题。采用逼近香农极限的信道编译码技术，信道编译码的性能发展到接近极限。4G移动通信系统是全IP网络，基于扁平化网络架构设计，在3G的长期演进（LTE）基础上进行升级。LTE系统采用正交频分多址（OFDM）和多输入多输出（MIMO）等关键技术，以提供更高的频谱利用率，满足市场对高速数据业务、多媒体业务等新需求，上/下行峰值速率达到50Mbps/100Mbps。在LTE的基础上进一步采用了载波聚合（CA）、中继和多点协同传输（CoMP）技术，获得更大的频谱带宽从而提升速率且提升了小区边缘用户的频谱效率，使上/下行峰值速率达到500Mbps/1Gbps。其主要代表是时分双工（TDD）/频分双工（FDD）的高级长期演进技术（LTE-A）。4G网络作为新一代通信技术相比于3G技术来说，使用频率更高、传输带宽更宽，在传输速率上有着非常大的提升，理论上网速度是3G的50倍，同时还具有兼容性更好，可实现使用统一的标准全球漫游等优势，是集中多媒体、可视化和数字化于一身的技术，通过高速的数据传输在人与网络之间、人与人之间实现联通，至此人类真正步入高速互联网时代。

二、第五代移动通信系统

第五代移动通信（5G）是4G技术基础上的延伸，是最新一代蜂窝移动通信技术。信道编译码技术接近或“达到”香农极限。5G网络主要有三大特点：极高的速率、极大的容量和极低的时延。相对4G网络，传输速率提升10～100倍，峰值传输速率达到20Gb/s，端到端时延达到ms级。在5G移动通信技术中，多载波技术的引入极大地提升频谱效率、系统容量及信号传输质量，基于大规模多入多出（MassiveMIM0）技术的5G移动通信网络，提升通信传输速度及频谱效率的同时，安全性、可靠更高，并细分为增强移动宽带(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)、超高可靠低时延通信(uRLLC)三大主要业务场景。在其增强移动宽带(eMBB)场景，提供极高的数据速率、低时延通信和极端的覆盖能力；支持不同设备可以在同一时间传输大量的数据；可以应用在VR和AR还有社交网络上，给用户带来更好的体验。为提供极高的速率，5G网络采用6GHz以下低频段（FR1）和6-100GHz的高频段（FR2）全频谱接入，毫米波的引入带来更宽的频带，低频和高频混合组网实现网络核心区域的无缝覆盖和热点区域高速率数据传输。5G通信通过新的编码方式（LDPC码、Polar码）、多址技术（F-OFDM）及各种关键技术的突破，满足各类细分业务场景，由移动互联网向移动物联网拓展，加速各垂直行业的数字化转型。5G网络朝更加开放式、虚拟化的方向发展，相比4G前网络以人的通信为主，5G致力于人、网、物之间实现联通，构建起高速、移动、安全、泛在的新一代信息基础设施，使人类社会进入万物互联的新时代。从移动通信的发展历程可以看出总体趋势是频率越来越高，频宽越来越大，传输速度越来越快，时延越来越小。正是高速移动数据需求和通信技术的创新发展推动了移动通信的更新发展，不断研究启用更高的频段带来更大的带宽，大规模多输入多输出技术得到更高的传输速度，接近极限的信道编译码技术，带来更大的容量，先进的多址技术提升频谱利用率。无线数据业务发展的两大驱动力移动互联网和物联网，将为5G后和未来移动通信发展提供广阔的前景。5g满足了地球上绝大部有人到达地的通信，但广袤的人烟稀少地带如沙漠、深海、远洋、地下、空中及空间等移动通信，需要下一代网络进一步扩大通信的广度和深度，人类永无止境的需求呼唤服务于智能社会的新一代蜂窝移动通信技术。

三、第六代移动通信系统及发展趋势

2019年11月我国正式启动6G技术研发工作。第六代移动通信系统是继5G之后的下一代移动通信网络。相比于5G网络,6G至少具有超高的网络速率、超低的通信时延和更广的覆盖深度,将充分共享毫米波、太赫兹和光波等超高频无线频谱资源,融合地面移动通信、卫星互联网和微波网络等技术。6G网络不再以数据传输性能为主要关注目标,它将向空天地海外太空、全维度感知世界和网络空间不断延伸,能够使网络更智能、更安全和更灵活,为人类提供无处不在、无时不在、无人不在和无事不在的信息基础设施。6G白皮书提出的几个关键指标为：（1）峰值传输速度达到100Gbps-1Tbps，而5G仅为10Gbps；（2）室内定位精度10厘米，室外1米，相比5G提高10倍；（3）通信时延0.1毫秒，是5G的十分之一；（4）超高可靠性，中断几率小于百万分之一；（5）超高密度，连接设备密度达到每立方米过百个。此外，6G将采用太赫兹频段通信，网络容量大幅提升。6G的大多数性能指标相比5G将提升10到100倍。同时，6G将与人工智能、机器学习深度融合，智能传感、智能定位，智能资源分配、智能接口切换等都将成为现实，智能程度大幅度跃升。6G将成为服务于智能社会的下一代移动通信系统。未来移动通信将以基础信息理论突破作为起点,进入一个全新的发展空间和时代,网络主体以“人—网—物—境”为中心“无人不互联、无处不互联、无时不互联、无事不互联”成为鲜明的网络特征,6G改变人类可持续发展的环境将成为最终目标。

四、结束语

移动通信技术的发展激励着人们对美好生活的向往,同样,人类永无止境的需求是网络与通信领域持续发展的动力,也将是未来下一代移动通信发展努力的方向。如今5G已经商用,6G离我们也并不遥远。面向2020年及未来，规划建设好5G网络，满足移动互联网和物联网应用需求，将为移动通信带来无限生机和新的技术挑战，移动互联网和物联网的进一步发展将推动移动通信技术和产业的新一轮变革。

参考文献

[1]北大科技园创新研究院，5G产业发展现状及趋势浅析，科技中国，2019(4):11-3735/N

[2]陈亮，余少华，6G移动通信发展趋势初探，光通信研究，2019(4):42-1266/TN

作者：何晶 单位：辽宁邮电规划设计院有限公司