浅谈5G移动通讯网络发展及应用

2019-02-14李响

数字通信世界 2019年1期

关键词：传输速率通讯频谱

李响

（成都列五中学，成都 610031）

1 5G移动通讯技术

5G，即第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通讯技术，5G中采用了的超密集组网（Ultra Density Networks，UDNs），以满足每平方公里百万级别的接入设计。

1.1 发展历程

人类追求高质量通讯的脚步从未停止，从结绳记事到烽火狼烟，可传递的消息在时间和空间上的跨度愈来愈大。直到第一代移动通讯网络技术（1g）的面世，民众才体会到无线通讯的便利，此技术首先由日本的NTT（Nippon Telephone and Telegragh）系统实现，后传到欧洲[1]。到了八十年代，随着集成电路的发明，数字通信成为了现实，随后便涌现出了如GSM、IDEN等2g网络通讯系统。随着移动终端的更新换代，对数据流量的需求爆发式增长，第三代网络通讯技术（3g）应运而生，实现了移动视频通话、VoIP（网络电话服务系统）等服务。不久之后，4G也来了，网速更快，容量更大，更加灵活智能。早在2009年，华为技术有限公司便投身于对5G的研发，随后，韩国、美国、加拿大、日本等国均跻身于5G的研究之中，5G也有望在2020年前后面向民众实现商用。

1.2 5G发展中存在的待解决问题

自从4G在全球普及后，5G的发展愈发迅猛，可在这迅猛的发展速度下仍然存在一些尚未解决的问题。

（1）频谱资源分配不足

为实现上文中提到的超密集组网结构，蜂窝网的结构由传统的单层结构网络变成了多层的无线异构网络（Hetergeneous Network，HetNet）。而这种异化结构所面临的问题，便是频谱的分配，由于不同的网络单元是复用频谱资源的，因此跨层和同层的干扰会影响网络质量。

（2）标准不统一

尽管5G技术前景广阔，但离正式商用仍有一段时间，且5G标准也尚未正式确定，技术操作性的互开放标准对于通讯产品的互通十分重要，欧盟已向联合国提出申请统一全球5G标准，以增强世界经济互通性。国际电信联盟也启动了5G标准研究工作，其中包括IMT-2020（5G）等工作计划。

（3）连续广泛覆盖的高速移动网络

持续为用户提供高速的移动网络服务是5G所面临的另一挑战，在高速移动的载具上，如高铁、动车上，在人流量极大的公共场合，如何保证5G所提供的高速网络不受这些外来因素的影响是现在各个5G研发团队的“燃眉之急”。而站址和频谱资源受限是最大瓶颈，如何充分利用站址和频谱资源是解决问题的关键[2]。

2 5G先进技术

2.1 大规模MIMO系统

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output），即多输入多输出系统。如字面所见，网络信息由多个电塔发射，再由多个电塔接受，这种多径的传播方式便是MIMO。MIMO却将多径传播变成了一项有利条件，使其拥有了足够大的数据率，可以承载5G庞大的数据接收。硬件的发展使得大规模MIMO技术相较于传统的基站可以容纳更多的接入，可以更精准地定向传输数据，减小了用户之间的相互干扰。MIMO技术的本质，即是将天线分集和空时处理进行有机结合[3]。目前，大规模MIMO技术仍处于研发阶段，并取得了一定成果，但研发不够全面，仍存在一些问题，如理论和实际的实验条件不相符等。研究大规模MIMO技术在理论和实际方面都具有重要意义。图1展示了大规模MIMO原理框图。

图1 大规模MIMO原理框图

2.2 软件定义网络

软件定义网络（Software De fi ned Network，SDN），其核心是将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制[4]。SDN可以使网络设备脱离固件的限制，以使其可以像软件一样被轻松升级、扩容，SDN技术能够有效降低设备负载，协助网络运营商更好地控制基础设施，降低整体运营成本，成为最具前途的网络技术之一。

2.3 网络功能虚拟化

网络功能虚拟化（Network Function Vitrualization，NFV），和SDN类似，可以让网络设备不再拘泥于硬件，它将网络节点分割成几个功能部分，分别再以软件方式实施，其核心是虚拟网络功能[5]。上文提到SDN的具有良好发展前景，而NFV可以促进SDN的进一步发展，二者相辅相成，成为5G的核心技术。

2.4 非正交多址技术

蜂窝移动通信的无线接入技术通常以非正交多址技术（NOMA）为核心。NOMA的本质即为通过提高接收机的复杂度来换取良好的频谱效率。为满足5G的系统容量和吞吐量，NOMA允许用户通过功率或码率复用以共享频率与时间资源，具有广阔的市场前景[6]。

3 5G移动通讯技术的应用

5G拥有更高的传输速率，更低的时间延迟，未来将应用于各个领域中，将会极大的改善人们的通信交流方式，让人类的生活更加方便高效。按照5G移动通信技术的应用领域，大致可以分为民用5G和军用5G两大类。

3.1 民用5G

在可预见的未来，民用5G技术将会深入到人类生活的方方面面，加速普及物联网和云端化生活，以及提升智能交互。基于物联网的智能家居行业正在逐渐兴起，5G更高的传输速率、更短的时间延迟、更大规模和更低功耗，能够有效满足智能家居中各类设备的特殊需求，人类可以与物体之间进行流畅的“交流”。物联网时代也将真正意义上的到来。基于车联网的远程驾驶、编队行驶和自动驾驶得以实现，5G庞大的带宽容量和接近零时延的特性，正在让自动驾驶进入现实生活中，这将极大的方便人们的出行。5G将会运用到智能制造、智慧能源、智慧农业、智慧医疗和智慧城市等领域中，基于5G网络的远程医疗，将对农村的医疗现状产生深远变革，使得大山深处的人们能够在家门口就能看上专家号。5G智慧农业通过各种传感器可以实现随时监控土壤的湿度、温度和肥度等因素，并做出实时处理，从而提高农作物产量。

5G 时代的到来，4K甚至是8K视频将能够实现流畅地实时播放，人们可以在1s之内下好一部高清电影，5G极高的网络传输速率或许会让本地硬盘被云端取代，人类的生活、工作和娱乐都会有“云”的身影。5G能够满足AR和VR对带宽的巨大需求和需要大量的数据传输、存储与计算功能，将极大的改善基于AR和VR的游戏、电影等娱乐用户体验感，移动视频业务也将不断发展，一些领先的社交网络将推出基于AR和VR直播视频，提供身临其境的感觉和保证实时的互动性。总的来说，5G将极大改善人们的生产与生活，也将促进智能时代的提前到来。

3.2 军用 5G

一个国家的强盛，最直接表现于其军队的作战能力。战场瞬息万变，情报的掌握可以左右一场战役的胜负，与现有通信系统相比，5G在传输速率和稳定性方面有质的飞跃，可以轻易地实现情报的对接和信息破译。在5G的情报交互网的保证下，军队可实现战场信息终端的互联互通，通讯达到近乎无阻碍的标准，显著降低军事行动成本，军队作战能力将在5G的加持下获得飞跃。5G亦可用于无人机和安防领域，实现实时高清视频的传输。