5G技术简介和应用

5G技术简介和应用

摘要：近年来，5G无线通信技术的发展十分之迅速，正悄无声息地改变我们的生活，5G的到来使通信速度有了100倍的提升。物联网的发展也离不开5G的帮助。本文会具体介绍5G的技术总结和应用场景，最后会表达对未来发展的期待。

关键词：5G；无线通信；物联网

人类总是在追求速度的道路上奔跑，有句话叫：“一切的创造发明都源于人类的懒惰。”在我看来也有些道理，5G诞生之前，4G诞生之前，生活在3G时代的人们使用的通信技术较为落后，传输速度可以说是很慢了，都无法实时地看视频，但是发展总是和需求成正比，当人们需要传输很大的数据量时，就会发现现有的技术瓶颈。我国对于5G的研究已经非常深入了，IMT-2020推进组是由中国工业和信息化部、科技部、发改委三部委员会联合成立的，目的是使我国的5G技术领先全球并成为国际标准。目标就是让5G融入生活，普及每家每户，应用于智能家居，无人及网络等等。

1.5G的概述

5G是在人们不满足于4G的基础和飞速发展的物联网和移动互联网的促进下产生的，其主要特点是速度快、容量大、时延短和大连接服务。速度大：当4G最大峰值只有100Mbps的时候，5G已经到达了1Gbps，这是4G的100倍，这离谱的传输速率跟符合当今的时代需求。容量大：5G的频带范围有30GHz左右，实现更多的数据传输。时延短：5G的时延只有1ms，这就说明两方之间的通信会非常的流畅，这位生活带来了巨大的便捷，再也不会延迟而丢数据。大连接服务：5G的连接数极大，可达到100万/平方公里的连接数，满足物联网通信。

由于未来移动的流量数据4G难以满足，5G横空出世，不仅要解决人们之间的通信，还要带来更快，更稳定，更安全的连接。在海量的连接面前，LTE和LTE-A都无法满足，但5G的MIMO技术有效地解决了此问题，5G真真实实地来到了我们的生活。

2.5G的技术

2.1高频段传输

移动通信传统工作频段主要集中在3GHz以下，这使得频谱资源十分拥挤，而在高频段（如毫米波、厘米波频段）可用频谱资源丰富，能够解决拥堵的问题，实现高速传输数据，但距离受到限制，暂时满足5G容量和传输速率等方面的需求。

高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势，充足的带宽、小型化的天线和设备、较高的天线增益是高频段的特点，但也存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。如果5G用高频段，那么它最大的问题，就是覆盖能力会大幅减弱。覆盖同一个区域，需要的基站数量将大大超过4G，所以基站密度会增大。

2.2新型多天线传输

5G的第二大技术就是Massive MIMO，MIMO就是“多进多出”（Multiple-Input Multiple-Output），多根天线发送，多根天线接收。频率越高，波长越短，天线也就跟着变短啦！毫米波，天线也变成毫米级。这就意味着，天线完全可以塞进手机里面，甚至可以塞很多根。不过，天线之间的距离也不能太近。因为天线特性要求，多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上，防止电磁波的冲突。

2.3同时同频全双工

利用该技术，在相同的频谱上，通信的收发双方同时发射和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，从理论上可使空口频谱效率提高1倍。全双工技术能够突破FDD和TDD方式的频谱资源使用限制，使得频谱资源的使用更加灵活。然而，全双工技术具有自干扰的缺点，两个信号波不正交会产生100dB的干扰。专家对于干扰的解决出于对天线和信号的模拟消除，研究团队进一步研究解决此问题。

2.4D2D

在目前的通信网络中，即使是两个人面对面拨打对方的手机（或手机对传照片），信号都是通过基站进行中转的，包括控制信令和数据包。而在5G时代，这种情况就不一定了，5G的第五大特点——D2D，也就是Device to Device。

5G时代，同一基站下的两个用户，如果互相进行通信，他们的数据将不再通过基站转发，而是直接手机到手机。由于短距离直接通信，信道质量高，D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗。D2D技术是基于SDN、NFV和云计算等先进技术，可以减轻基站的压力。

目前，D2D采用广播、组播和单播技术方案，未来将发展其增强技术，包括基于D2D的中继技术、多天线技术和联合编码技术等。

2.5密集网络

5G移动通信系统的发展不仅带动旧的系统升级，还会引发新的无线传输技术发展，5G将会是多层、多种无线接入技术共存的多制式异构网络。在未来的发展中，随着用户的数量急剧增加，站点的计算压力也随之增加，所以构建密集型网络是必然的，每个站点间的距离会很短，只有几十米或更短，每个站点的服务范围较小，但满足每个区域的用户需求，就像一个个小火堆一样温暖每个扇区的用户。维护和运营这样的网络是很困难的，其中的原理也是十分复杂的，5G必须发展自组织网络功能。

2.6新型网络架构

5G移动通信网络中，最最重要的东西就是融合网络，将无线网络和移动通信结合起来，再通过SDN/NFV技术实现虚拟化、软件化，更好地管理数据、计算数据。切片，将不同类型的网络数据分层处理，好比高速公路上的不同类型的汽车在不同道路，优化网络资源分配。

C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。C-RAN架构适于采用协同技术，能够减小干扰，降低功耗，提升频谱效率，同时便于实现动态使用的智能化组网，集中处理有利于降低成本，便于维护，减少运营支出。

目前的研究内容包括C-RAN的架构和功能，如集中控制、基带池RRU接口定义、基于C-RAN的更紧密协作，如基站簇、虚拟小区等。除了把RRU拉远，还把BBU集中起来，更加强大，可以统一管理调度，资源分配更加灵活，虚拟化BBU降低成本。

网络架构的研究很深，5G的发展还在继续，顶层的技术人员努力奋进研发更快更好地网络架构，让数据传输变得灵活、自由。

3.5G应用场景

3.1eMBB

Enhanced Mobile Broadband增强型移动宽带，是指在现有移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步提升 。

美国时间2016年11月17日凌晨0点45分，在3GPP RAN187次会议的5G短码方案讨论中，中国华为公司主推的Polar Code(极化码)方案，成为5G控制信道eMBB场景编码最终方案 。

目前来看，使用4G完成4k，8k的观影或者是玩一些AR，VR游戏时显得吃力，虽然流量问题不是很大，但是传输速率的问题让人头痛，5G的到来会对这些问题不攻自破。在2018年的韩国平昌冬奥会上首次亮相，几百个运动员携带摄像机滑雪，同时在大屏幕上显示，每个动作都能做时间切片。VR虚拟现实360度渲染场景才是emMBB的主场。eMBB的特点利用网络切片管理数据，可以达到20Gbps的速率。

3.2mMTC

大规模机器通信 mMTC（Massive MachineType Communication），顾名思义，大规模的物联网，3GPP 为了应对 mMTC 场景提出了一系列举措，其中最重要的是提出了嵌于蜂窝系统的窄带物联网（Narrow BandInternert of Things，NB-IoT）技术和 eMTC（enhanced MTC，增强机器类型通信）技术来支持 5G 通信的 mMTC 应用，主要面向低速率、超低成本、低功耗、广深覆盖、大连接需求的物联网业务，降低了设备的成本与复杂度，改善了通信服务覆盖距离与信号穿透性，减少了设备侧的功耗，延长了电池寿命。

在这个追求大数据，快速的时代，5G不仅满足这些需求，也要满足低功耗和低速率的需求。低功耗大连接场景主要面向智慧城市、环境监测、智能家居、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。

由此可见，5G不仅拓宽了上层发展业务，还顾及了下层的业务，平衡了不同业务之间的成本差距，更加绿色环保。

3.3uRLLC

Ultra-reliable and Low Latency Communications,超高可靠性超低时延通信，5G URLLC 被业界广泛认为可以应用于工业控制、工厂自动化、智能电网、设备、车联网通讯、远程手术等场景。根据前面的技术介绍，可以知道5G通过建设密集型微基站来弥补高频窄覆盖范围的缺点5g 技术，运营商挤破头皮建设低频基站从而提出UDN(超密集组网)、UCNC(虚拟化小区和CloudRAN)等的建设方案，其做法之一就是建设微基站，并且SDR技术发展使得建设微基站成本很小，频带和空中接口协议等功能可以通过软件编写和更新，不需要硬件更换。

4.5G展望

5G不仅是更快速、更安全，也是范围更广的移动通信技术，多制式网络实现无缝连接，全球范围的用户都会无形的连接在一起，实现真正意义上的同步通信。对于日常生活的普通用户来说，4G的速度已经满足大部分需求，5G的领域多于军事、医疗、监测等方面。

十年前4G的宣传广告让人眼前一亮，当年的人们对于4G还是很陌生，这样的技术为什么比3G快这么多，为什么如此强大。站在如今的视角，人们又觉得5G为什么比4G快这么多，为什么如此强大。5G又像4G那样让人疑惑，这样的技术又能为我们带来什么，而5G在我们看不到的地方大有作为。

5G的技术研究还在继续，5G的技术掌握必是移动通信厂商和运营商的核心竞争力，而我国5G技术占据世界前列，制定国际标准也成为了领导地位，这将会是未来我国成为强国的前兆。

参考文献：

[1]李旭茹，徐晓宇，岳亚伟.5G技术综述.山西电子技术,1674-4578(2017)02-0091-03.

[2]田忠驿.5G全双工技术浅析[J].移动通信,2015,39(15):85-87.

[3]方汝仪.5G移动通信网络关键技术及分析[J].信息技术2017,01:142-145

（编辑：南平站长网）

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