5G技術(shù)及其應(yīng)用探討

朱建興

廣州理工學(xué)院 廣東 廣州 510540

5G或5G技術(shù)是第五代移動(dòng)通信技術(shù)（英語：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation）的簡(jiǎn)稱，是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，也是繼4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）移動(dòng)通信技術(shù)之后的延伸。

2015年10月26日至30日，在瑞士日內(nèi)瓦召開的2015無線電通信全會(huì)上，國際電信聯(lián)盟（ITU）正式批準(zhǔn)了三項(xiàng)有利于推進(jìn)未來5G研究進(jìn)程的決議，并正式確定了5G的法定名稱是“IMT-2020”。

1 5G的三大特點(diǎn)

（1）大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）。設(shè)備的連接密度相比4G將提升100倍，支持每平方公里100萬臺(tái)低功率、低帶寬、低成本和對(duì)時(shí)延要求不高的設(shè)備連接，能實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)到消費(fèi)的全環(huán)節(jié)、從人到物的全場(chǎng)景覆蓋，即“萬物互聯(lián)”；

（2）增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）。其峰值速率將是4G網(wǎng)絡(luò)的10倍以上，可達(dá)到10Gbps的峰值吞吐率，對(duì)應(yīng)的是大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)；

（3）高可靠低時(shí)延通信（uRLLC）。通信的響應(yīng)速度可降至1ms級(jí)別，如自動(dòng)駕駛汽車探測(cè)到障礙物后的響應(yīng)速度將比人的反應(yīng)更快，將助推自動(dòng)駕駛汽車從實(shí)驗(yàn)室開到路上，而且可以支持高速移動(dòng)（500km/h）情況下的高可靠性（99.999%）連接。

2 5G的關(guān)鍵技術(shù)

（1）大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）[1]。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系統(tǒng)，是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)天線，形成MIMO通信鏈路。通過添加多個(gè)天線，可以為無線信道帶來更大的自由度，以容納更多的信息數(shù)據(jù)。

（2）毫米波技術(shù)（mm Wave）。毫米波是一種頻率為30～300GHz的無線電磁波，5G采用的頻段是24～100GHz，目的主要是能夠提供更大的帶寬和更高的數(shù)據(jù)速率。

（3）云無線接入技術(shù)（C-RAN）。將傳統(tǒng)的無線接入網(wǎng)功能軟件化、虛擬化，部署到標(biāo)準(zhǔn)的云環(huán)境中，從而提升設(shè)計(jì)的靈活性和計(jì)算的可擴(kuò)展性，提升能效和減少集成成本，實(shí)現(xiàn)資源共享和動(dòng)態(tài)調(diào)度，提高頻譜效率，以達(dá)到低成本、高帶寬和靈活度的運(yùn)營。

（4）網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)（NFV）。就是通過虛擬化技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)功能軟件化，并運(yùn)行于通用硬件設(shè)備上，以替代傳統(tǒng)的專用網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)配置的靈活性、可擴(kuò)展性和移動(dòng)性。

（5）軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（SDN）。SDN是一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實(shí)現(xiàn)方式，其核心技術(shù)OpenFlow通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分離開，從而可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，使網(wǎng)絡(luò)作為管道變得更加智能化。

（6）網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)（Network Slice）。該技術(shù)是一種按需組網(wǎng)方式，可以讓運(yùn)營商在統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施上切出多個(gè)虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，其目的是為不同的行業(yè)或企業(yè)在運(yùn)營商的5G網(wǎng)絡(luò)上開辟一個(gè)“專用虛擬網(wǎng)絡(luò)”，以達(dá)到行業(yè)或企業(yè)特性化和個(gè)性化的需求。

（7）多接入邊緣計(jì)算技術(shù)（MEC）。該技術(shù)就是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算能力有效地部署在更靠近用戶的邊緣，從而可以降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提供更多的低時(shí)延、高寬帶應(yīng)用。

（8）前傳和回傳技術(shù)。由于5G無線速率大幅提升、MIMO天線數(shù)量成倍增加，傳統(tǒng)的4G CPRI協(xié)議無法滿足前傳容量和時(shí)延要求，為此，標(biāo)準(zhǔn)組織正在研究和制定新的前傳技術(shù)。另外，在光纖難以部署的區(qū)域，無線回傳是一種可選的最佳方案，如采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波、無線mesh網(wǎng)絡(luò)等。

3 5G應(yīng)用

（1）窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在日常生活中，真正的物聯(lián)網(wǎng)高速應(yīng)用只有10%左右（3G或4G業(yè)務(wù)），中等速率約占30%（GPRS業(yè)務(wù)），約60%的低速業(yè)務(wù)還缺少蜂窩技術(shù)的支持，而實(shí)際中，對(duì)這種廣覆蓋、低成本、低速率、低功耗的應(yīng)用訴求非常強(qiáng)烈，如水、電、氣抄表、路燈管理等網(wǎng)絡(luò)需求，理論上這種業(yè)務(wù)在一個(gè)普通小區(qū)可以支持約50000個(gè)連接，可廣泛應(yīng)用在智慧城市、設(shè)備管理、消費(fèi)電子、智慧建筑、智能物流、農(nóng)業(yè)環(huán)境等領(lǐng)域。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）。一部8GB的高清電影，如果使用3G網(wǎng)絡(luò)（假設(shè)14Mbps的下載速率），將需要約90min的時(shí)間才能完成下載；如果使用4G網(wǎng)絡(luò)（假設(shè)150Mbps的下載速率），則需要約9min的時(shí)間可以完成，但這個(gè)時(shí)間顯然還是覺得時(shí)間太長(zhǎng)，隨著5G技術(shù)的發(fā)展，同樣的內(nèi)容，我們可以感受到“秒級(jí)別”的體驗(yàn)。這種大流量視頻VR技術(shù)的發(fā)展可以在教育、娛樂、網(wǎng)購、社交、展會(huì)、發(fā)布會(huì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

（3）車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療及智能制造。未來車輛實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛是主要的發(fā)展趨勢(shì)，這就要求車與車、車與路及障礙物之間要有極高的協(xié)調(diào)性，同時(shí)對(duì)“時(shí)延”提出了非常高的要求。對(duì)于自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)，基于安全性的考慮，要求移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延必須控制在“毫秒級(jí)”的量級(jí)內(nèi)，這樣才能保證自動(dòng)駕駛汽車在遇到緊急情況時(shí)，可以快速啟動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，達(dá)到安全的制動(dòng)距離，而這種毫秒級(jí)的超低時(shí)延是4G網(wǎng)絡(luò)無法滿足的。

總之，5G是一個(gè)端到端的、全移動(dòng)的、全連接的生態(tài)系統(tǒng)，小到個(gè)人穿戴、智能家居、云化辦公，大到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、教育、金融、環(huán)境等行業(yè)領(lǐng)域，5G都能滿足全互聯(lián)的需求，其發(fā)展趨勢(shì)就是要向“大連接、高速率、低時(shí)延”的方向發(fā)展，真正做到“信息隨心至、萬物觸手及”。