王君 何新宇 宋泽生 梁薇薇 谭康裕 郭中华 岑梓华

摘  要：随着时代的发展，各项科学技术都在新的时代背景下获得了更加显著地突破，尤其是关于新的通信系统的研制。如今的通信系统已发展到5G网络，5G网络相比于4G网络有着速度快、低时延、低功耗等优点。5G不仅可以应对快速增长的数据量，同时在人工智能技术、物联网、云计算等行业方面也有着很好的应用，5G网络的出现让很多行业焕发了崭新的生机。同时，伴随着许多技术的创新或者出现，5G网络建设难题也随之有了很多重大突破。本文结合5G网络的创新，浅析了5G网络带来的变化，以及5G新技术和技术关键点。

关键词：5G  网络通信  技术革命  主要技术

中图分类号：TN929.5                        文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2021）02（b）-0107-04

Technical Revolution of 5G Communication and Network

WANG Jun1，4  HE Xin yu1*  SONG Ze sheng2  LIANG Wei wei3  TAN Kang yu1  GUO Zhong hua1  CEN Zi hua1

（1. Nanfang College of Sun Yat-sen University， Guangzhou， Guangdong Province， 510970  China; 2. Nanchang University， NanChang， Jiangxi Province， 330027 China; 3. Chongqing University of Posts and telecommunications， Chongqing， 400065 China; 4.Guangzhou Hengtong Zhilian Technology Co.，Ltd.， Guangzhou， Guangdong Province， 510630 China）

Abstract： Tremendous breakthroughs were made in all fields of science and technology as we move forward， not least the development of communication system. Today's communication system has extended to 5G network， which is measured against 4G. 5G wins this battle， underpinning smooth speed， ultra-low latency and low power consumption. 5G will become a powerful technological platform capable to rapid response to data load， inspiring many a advanced applications， say， AI， IoT（Internet of Things） and Cloud Computing， etc. 5G is conceived for other sectors to wake up more vigorous booming with massive innovative technologies. Breakthroughs always come as hurdles in the course of 5G network development. All in all， we would analyze revolution and innovation brought by 5G network on the top of new 5G technology and technological pivotal points.

Key Words： 5G communication; network communication; technological revolution;primary technology

隨着通信行业的发展，技术的不断更新，通信系统已从1G的“语音时代”发展到4G的“视频时代”。但4G网络数据传输延迟长，会有网络延迟、卡顿等现象，同时大数据、云计算、物联网等概念的提出，人们意识到4G网络不能满足新时代的发展，因此5G网络技术及网络建设需求日益剧增。

截至2020年7月底，全球已有46个国家或地区的99家网络运营商开始提供5G业务。美国、韩国、欧洲、日本等主要国家和地区均积极加快5G建设，开展5G融合应用。5G产业的生态逐步丰富，应用探索不断深入[1]。

1  5G网络带来的变化

1.1 多频段多制式

现今基站设备支持多种频段，支持2G、3G、4G、5G多制式。为了避免资源浪费，存在一个基站由多家运营商共同使用的现象，且多数站点设备部署密集，所以基站很难再有大的改动。多频多网的覆盖性能差异大，改造和优化的难度增加，因此5G网络的诞生也使站点的建设成为一大难题。所以4G网络和5G网络在未来很长一段时间依旧是共存状态，发展到一定程度后，4G网络将会融入5G网络中。

1.2 基站建设

5G技术使用了高频率，因此其传输距离大幅下降、覆盖能力也相应减弱。此时需要大力建设基站，但宏基站的建设成本高，且宏基站建设密度已经到达一定的饱和，为了满足容量增长的需求以及降低运营商成本，出现了层次化基站建设。基站分类为宏基站和小基站，小基站根据覆盖范围大小还分为微基站、皮基站、飞基站。多种基站互相配合，保证了网络覆盖的面积[3]。

1.3 5G运营成本

5G发展的建设金额是巨大的。由于5G核心网的建设，基站数量将增加，尤其是小微基站数量将激增，光纤量也将激增，同时站址费用会越来越高。这么多的中继器和小基站单元导致站点建设和站点租赁成为运营商运营成本的一大负担。而新建站点又面临站点获取难、投资成本高、建设周期长等诸多问题。在不新建站点的情况下实现5G网络设备的部署，并降低多网共存场景下的运维成本是一难题。此外，5G发展还涉及大量小微基站、光传输、核心網、多接入边缘计算等新技术的发展，这些复杂技术的投资研发也让运营商的运营支出不断攀升，支出占比多达利润的70%。预计中国5G投资周期10年，总投资金额达到1.6万亿[4]。

1.4 5G的不同业务需求

人工智能、物联网、大数据、云计算等概念的提出，使得全球有一场关于科技的革命和换代，比如在无人驾驶、AI、实时游戏、虚拟现实，医疗，煤矿开采等不同的业务[6-9]。但不同的业务对5G的技术要求都是不同的。例如传感器对时延的要求达到1000ms，速率要求达到1Mbps;而无人驾驶车，其时延要求达到小于1ms，速率要求达到10Mbps。

1.5 端到端的网络云化

网络实行智能化重构，网络弹性部署、快速配置，而基础设施照旧，网络资源、存储资源、带宽资源这些资源，通过云管理平台、控制器以及网络功能虚拟化来支撑不同的应用，从而网络云化[6]。5G网络云化后，从而能够对网络进行更好的运维管理，更好更合理地调动网络资源。云化使得人类迈向智能网络，实现对网络的智能处理。在未来，全云化将会逐步实现，所有的网络功能和业务应用都能云上进行。

1.6 5G对人才的新需求

5G的发展意味着技术的革命和创新，带来新的经济热潮，创造出大量新兴岗位。到2035年，全球5G价值链将创造3.5万亿美元的产出，创造2200万个工作岗位，这已经超过了当下整个移动价值链的价值，从这可以看到5G对于人才需求、对世界带来的影响将是颠覆性的[10]。5G岗位的空白可以从网络规划设计、设备部署维护、业务编排、自动化运维、业务体验与优化、用户体验分析等岗位的人才稀缺体现。5G行业为人们就业带来新的市场热潮。

2  5G的技术层析

2.1 复杂组网

5G网络的部署需要无线接入网和核心网，其中无线接入网主要由基站组成。由于网络部署投资巨大，不同于以往2G、3G、4G网络核心网与接入网一体的演进，5G时代则分成核心网、基站两块。组网方案有SA（独立组网）和NSA（非独立组网）两种，SA只采用5G基站来提供5G网络信号，因此建设成本很高;NSA通过整合5G基站和4G基站的方式，来提供5G信号的支持，基站建设的投入小，因此很多国家采用NSA组网建设5G[2]。

2.2 5G传播模型

3GPP组织针对5G移动网络通信推出了5G标准协议38.901，其中提到包括城区微站（UMi）、城区宏站（UMa）、农村（RMa）和室内热点（InH）的四种无限传播模型，每种场景又分为LOS（视距）和NLOS（非视距）两种情况：无线信号在传播过程中如果中间无阻挡，可以视为直线传播，也就是LOS场景;在实际环境中由于受到障碍物的影响，无线信号从发射端到接收端无法直线传播的情况，称为NLOS场景。

5G网络在应用过程中具有较高的频率，而如今的传播模型众多，因此必须结合5G的传播特性及传播过程中的媒介、环境等特征，合理地选择传播模型，以保证其信号的稳定传输[8]。以下仅介绍在前三种模型的NLOS（非视距）场景下的情况，如表1所示。其中主要参数含义：h为平均建筑高度;W为街道宽度;hUT为终端高度;hBS为基站高度。

值得提到的是，COST231-Hata也是一种在预测无线电波路径损耗方面具有较高准确度且使用非常广泛的模型，其计算公式为：。其中hB为发射天线有效高度，hr为接收天线有效高度，α（hr）为接收天线高度修正因子，Cm为传播环境校正因子。在密集大城市时，校正因子计算公式为;在郊区或密集程度不高的城市校正因子计算公式为。

对比UMa模型和cost231模型的公式可以看出，UMa模型定义了街道宽度数值以及建筑物平均高度，可变参数的增多使得模型的应用场景更加丰富[11]。

2.3 5G帧结构设计

即使到了5G网络时代，无线帧和子帧的长度还是和4G保持一致，这是为了使得4G和5G间共存以及方便部署。不过，5G相对于4G有着灵活的子架构。4G子帧固定为1ms，包含2个时隙，子载波间隔固定为15KHz;5G的子载波间隙则可以灵活扩展，这种灵活变化主要是为了使5G支持各种应用场景。

5G采用u（Numerologies）这个参数来表示载波间隔，由u值的不同，符号周期成比例变化，即随着子载波间距的增大，时隙会变短。子载波间隔越大则会有更短的时隙，更能满足低时延的需求[12]。

2.4 5G的覆盖测量

4G网络中，UE通过测量小区特定参考信号（CRS）获得RSRP、RSRQ和SINR值;而在5G网络中UE通过测量同步信号（SS）和信道状态信息（CSI）获得RSRP、RSSI、RSRQ和SINR数值。其中5G覆盖类的关键指标主要还是RSRP和SINR，5G中RSRP/SINR分类如表2。

5G覆盖的首要目标是保证区域内RSRP/SINR满足建网标准，先优化SS RSRP/SCI-RSRP，后优化SS SINR/CSI-SINR。

2.5 大规模天线技术（Massive MIMO）

大规模天线技术（Massive MIMO）是5G网络的关键。传统的MIMO是2D-MIMO，采用单个宽波束进行覆盖，实际的信号覆盖时只能在水平方向移动，类似平面发射。大规模MIMO天线中运用波束形成技术，对天线赋形出不同方向的窄波束，使得从2D-MIMO发展为3D-MIMO，在水平维度上引入垂直维度，具备三维立体的覆盖能力。

基站覆盖范围内多用户在同时频资源上同時通信，提升了频谱资源的复用。同时，窄波束的集中辐射使得基站发射功率损耗减少，提升了能量效率。还有由于Massive MIMO天线数目多，系统的空间自由度高，因此具有很强的抗干扰能力。

总的来说，Massive MIMO有着高复用增益，高能量效率，好的抗干扰能力等优点，同时在解决高容量和多连接问题也起着很大的作用。

3  结语

5G的发展不仅仅给普通群众带来深刻影响，甚至给全社会、全球都带来一场热浪，使民生、经济、教育、军事等领域都会有巨大的改变。

5G建设如火如荼，但是由于5G新技术还面临着一定的问题，4G网络仍然是当代大环境下的主流，未来的长期局面将是4G、5G协同共存。介于4G和5G技术的不同，本文着重对5G技术带来的变化进行了析剖，介绍了5G网络的全新特点。

参考文献

[1] Ihsan H Abdulqadder，Shijie Zhou，Deqing Zou，Israa T. Aziz，Syed Muhammad Abrar Akber. Multi-layered intrusion detection and prevention in the SDN/NFV enabled cloud of 5G networks using AI-based defense mechanisms[J]. Computer Networks，2020，179.

[2] Leonardo Bonati，Michele Polese，Salvatore DOro，Stefano Basagni，Tommaso Melodia. Open， Programmable， and Virtualized 5G Networks： State-of-the-Art and the Road Ahead[J]. Computer Networks，2020，182.

[3] 王晟，周晓东，陈小倩，等.基于5G网络的应急通信超密集组网技术研究[J].电子设计工程，2020，28（18）：80-84.

[4] 王海龙，余智明.5G移动通信组网模式及关键技术研究[J].通讯世界，2019，26（10）：159-160.

[5] 刘明，张治中，程方.5G与Wi-Fi融合组网需求分析及关键技术研究[J].电信科学，2014，30（8）：99-105.

[6] 王君，何新宇，蒲磊，等.浅析5G的现状发展和前景趋势[J].科学技术创新，2020（19）：73-74.

[7] 王国法， 赵国瑞， 胡亚辉. 5G技术在煤矿智能化中的应用展望[J]. 煤炭学报， 2020， 45（1）：16-23.

[8] 田伟. 5G技术应用于远程医疗的探索与展望[J]. 中华外科杂志， 2020，58（1）：1-4.

[9] 张长青.5G系统定义的帧结构分析[J].邮电设计技术，2019（6）：42-46.

[10] 李继蕊， 李小勇， 高云全. 5G网络下移动云计算节能措施研究[J]. 计算机学报， 2017（7）.

[11] 陈晓婷，程丽红，王佳鑫.基于5G网络的无人机信息传输[J].电子制作，2020（18）：10-11.

[12] 唐伦， 周钰， 谭颀. 基于强化学习的5G网络切片虚拟网络功能迁移算法[J]. 电子与信息学报， 2020， 42（3）.