無線通信技術(shù)發(fā)展概述

摘要 人民對(duì)高信息量的需要求日益增長(zhǎng)，高效快速的通訊方式也是保證社會(huì)進(jìn)步、國(guó)家發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)。現(xiàn)代的通訊方式與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，在諸多方面都有所突破和發(fā)展，尤其是無線通信技術(shù)的出現(xiàn)和飛速發(fā)展也為人們帶來更便捷舒適的生活。在這種情況下，就需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)無線通信技術(shù)的研究討論，從而為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和民族復(fù)興貢獻(xiàn)出更大的力量。基于此，本文對(duì)無線通信技術(shù)發(fā)展相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞 無線技術(shù) 通訊理論 5G

引言

隨著國(guó)家社會(huì)的不斷進(jìn)步，人民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，科學(xué)技術(shù)水平和信息技術(shù)的融合和發(fā)展也進(jìn)入到了更高層次[1]。在發(fā)展的過程中，人與人之間的信息交流和溝通具有十分重要的作用。同時(shí)在新型媒體技術(shù)的推動(dòng)下，社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中的各種產(chǎn)物變多，對(duì)于通信技術(shù)也提出了更高的要求[2]。現(xiàn)代的通訊技術(shù)與以往傳統(tǒng)的通信方式相比，在科研開發(fā)、基礎(chǔ)理論、實(shí)際應(yīng)用等方面都有所突破和發(fā)展，與社會(huì)大眾生活及通訊關(guān)聯(lián)較大的無線通信技術(shù)為人們帶來更便捷舒適的生活發(fā)揮了重要作用，因此急需展開研究總結(jié)無線通訊技術(shù)發(fā)展的理論及技術(shù)要點(diǎn)。

一、無線通信的簡(jiǎn)介

無線通信指的是利用在自由空間中傳播的電磁波而不通過導(dǎo)體或纜線的方式來傳遞消息，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸通訊，實(shí)現(xiàn)信息交互的目的。大多無線通信技術(shù)都會(huì)用到無線電，包括距離近至數(shù)米的Wi-Fi，也包括距離上百萬公里的深空網(wǎng)絡(luò)，但也有少數(shù)無線通信技術(shù)是使用諸如光、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等電磁波無線技術(shù)。在所有的無線通信中，信息的傳輸主要發(fā)生在發(fā)射器（發(fā)送數(shù)據(jù)）和接收器（接收數(shù)據(jù)）的設(shè)備之間。無線網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)都可互換地執(zhí)行發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的角色。根據(jù)發(fā)射器和接收器的種類，無線通信可以分為固定式、移動(dòng)式和便攜式應(yīng)用。

二、無線通信的發(fā)展歷程

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的愈發(fā)信息化，無線通信也逐漸從固定方式發(fā)展為移動(dòng)方式，無線通訊的發(fā)展大致經(jīng)歷了從模擬通信系統(tǒng)（也稱為1G）到全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)（GSM、數(shù)字通信，也叫做2 G，也包括互聯(lián)網(wǎng)），到第三代（3 G、數(shù)碼、支持?jǐn)?shù)據(jù)分組交換、等等），第四代（4G、無線寬帶、LTE、LTE-advanced）、再到現(xiàn)在最新的第五代通信技術(shù)（即5G） [3]。

1G意為第一代無線通信技術(shù)，是指最初的模擬、僅限語音的蜂窩電話標(biāo)準(zhǔn)，其制定于上世紀(jì)80年代。其主要代表產(chǎn)品就是手機(jī)，由于其主要依賴于蜂窩技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)現(xiàn)，因此被稱為第一代模擬蜂窩電話。在第一代無線通信技術(shù)中，網(wǎng)絡(luò)包含許多小型區(qū)域 ，每個(gè)小區(qū)域由一個(gè)無線電收發(fā)器覆蓋，因此相同的頻率可以重復(fù)使用多次，從而提高頻譜利用率，從而增加系統(tǒng)容量，方便容納大量用戶。在20世紀(jì)80年代由科研人員開發(fā)的一整套無線標(biāo)準(zhǔn)，移動(dòng)電話系統(tǒng)（MTS）、高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)（AMTS）、改進(jìn)移動(dòng)電話服務(wù)（IMTS）、Push to Talk （PTT）等技術(shù)是1G的主要特點(diǎn)。

2G是第二代無線電話技術(shù)的簡(jiǎn)稱，第二代2G蜂窩電信網(wǎng)絡(luò)最早在芬蘭以GSM標(biāo)準(zhǔn)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，相比于1G，2G網(wǎng)絡(luò)允許更大的滲透強(qiáng)度，使得各種移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)能夠提供短信、圖片短信、彩信（多媒體消息）等服務(wù)。所有2G上發(fā)送的文本信息都經(jīng)過數(shù)字加密，允許以只有預(yù)期接收者可以接收和讀取的方式傳輸數(shù)據(jù)。

3G指的是第三代移動(dòng)電話，3G網(wǎng)絡(luò)支持的服務(wù)可以提供至少200 khits/s的信息傳輸速率。發(fā)展到后期的3G版本，通常是3.5G和3.75G，也為智能手機(jī)和筆記本電腦的移動(dòng)調(diào)制解調(diào)器提供了Mbit/s級(jí)別的移動(dòng)寬帶接入。3G被應(yīng)用于無線語音電話、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入、固定無線互聯(lián)網(wǎng)接入、視頻通話和移動(dòng)電視。3G技術(shù)得出現(xiàn)定義了移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其主要特點(diǎn)是高效、高速、高性能、高安全性、低成本、信號(hào)穩(wěn)定。與前兩代通信技術(shù)相比， 3G支持更加多樣化的多媒體技術(shù)。

4G是繼3G之后的第四代移動(dòng)通信技術(shù)。除了通常的語音和3G系統(tǒng)的其他服務(wù)外，4G可以提供移動(dòng)超寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，例如USB無線調(diào)制解調(diào)器的筆記本電腦、智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備。盡管4G是3G的后繼技術(shù)，但3G網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到4G的過程仍然出現(xiàn)過重大問題，因?yàn)樵S多3G網(wǎng)絡(luò)都沒有建立在向前兼容的基礎(chǔ)上，4G的應(yīng)用主要包括經(jīng)過修改的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入、IP電話、游戲服務(wù)、高清移動(dòng)電視、視頻會(huì)議。

5G（第五代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或第五代無線系統(tǒng)）也被稱為2020年以后的移動(dòng)通信技術(shù)。在任何電信標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)發(fā)布的官方文件中，5G都沒有描述任何特定的規(guī)范。但是第5代（5G）和即將到來的第6代（6G）連接網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于第4代系統(tǒng)，有望取得巨大的改進(jìn)，但這些系統(tǒng)存在一些基本和普遍的挑戰(zhàn)，如覆蓋性能、高容量網(wǎng)絡(luò)、、低延遲、高保護(hù)、低功耗、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)等。

自1981/1982年推出1G系統(tǒng)以來，大約每10年就會(huì)出現(xiàn)新一代的蜂窩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，目前商用化的最先進(jìn)無線通信技術(shù)為5G技術(shù)，下面將對(duì)該技術(shù)主要的特征進(jìn)行概述。

三、5G主要特征

近年來電信業(yè)的主要基準(zhǔn)之一便是5G，它通常被稱為2020年后移動(dòng)通信技術(shù)，是一種新興的異構(gòu)通信模式，包括4G系統(tǒng)、Wi-Fi、mmWave（毫米波）、MIMO（多輸入多輸出）陣列，具有帶寬強(qiáng)、價(jià)格便宜、電池使用率低、覆蓋更好的等優(yōu)點(diǎn)。5G使一種新型網(wǎng)絡(luò)成為可能，這種網(wǎng)絡(luò)可以將包括機(jī)器、物體和設(shè)備在內(nèi)的幾乎所有人和事物連接在一起。5G無線技術(shù)旨在為更多用戶提供更高的多gbps峰值數(shù)據(jù)速度、超低延遲、更高的可靠性、更大的網(wǎng)絡(luò)容量、更高的可用性和更統(tǒng)一的用戶體驗(yàn)。更高的性能和更高的效率可以連接新的行業(yè)，從而賦予用戶新的體驗(yàn)。5G技術(shù)基于一種通過多個(gè)不同通道調(diào)制數(shù)字信號(hào)以減少干擾的方法 （Orthogonal frequency-division multiplexing， OFDM），在該OFDM原則的基礎(chǔ)上，使用NR （New Radio）空中接口和更寬的帶寬技術(shù)，如低于6ghz和毫米波。與4G LTE一樣，5G OFDM也基于相同的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)原理運(yùn)行。然而，新的5G NR空中接口可以進(jìn)一步增強(qiáng)OFDM，為相關(guān)應(yīng)用提供更高的靈活性以滿足各種不同的使用情況。通過擴(kuò)大頻譜資源的使用，5G將帶來更寬的帶寬，可以在較低頻段（如6 GHz以下）和毫米波頻段（如24 GHz及以上）運(yùn)行，這將帶來最大容量、多gbps吞吐量和低延遲。5G網(wǎng)絡(luò)速度和網(wǎng)絡(luò)容量的提高，將創(chuàng)造出傳輸巨大數(shù)據(jù)量的潛力。5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不同，可以更好地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流量，平滑地處理使用量峰值。5G不僅提供了比4G LTE更高質(zhì)量的服務(wù)、更低的延遲和更高的帶寬，還可以擴(kuò)展到新的服務(wù)領(lǐng)域，如關(guān)鍵任務(wù)通信和連接大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)。下面將簡(jiǎn)要概述5G的應(yīng)用展望。

四、5G應(yīng)用展望

5G的低延遲可以到達(dá)比人類的視覺處理速度更快的程度，這使實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制設(shè)備成為可能。此外，農(nóng)業(yè)、制造業(yè)和物流都將受益于更低的延遲，游戲玩家也熱切期待5G的低延遲所帶來的體驗(yàn)。高速和最小延遲的結(jié)合對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）應(yīng)用來說也是十分重要的，隨著連接性的改善，可能創(chuàng)造出更無縫的沉浸式體驗(yàn)，相關(guān)應(yīng)用會(huì)大受歡迎。在未來，由于5G的廣泛應(yīng)用，智能家居和智慧城市也將迎來巨大的飛躍發(fā)展[4]。人類將會(huì)使用比以往任何時(shí)候都更多的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，人工智能也將被帶到從未有過的高度。從為房屋提供個(gè)性化節(jié)能方案，到根據(jù)交通流量改變其模式的交通燈，依賴于網(wǎng)絡(luò)速度和容量大小的5G應(yīng)用將影響幾乎每個(gè)人。以往，擁擠的體育場(chǎng)和其他場(chǎng)館難以為大量觀眾提供無縫連接，而5G則可以讓體育愛好者從體育場(chǎng)的任何座位上直播他們的體驗(yàn)。對(duì)于企業(yè)來說，帶寬增加的影響將以大數(shù)據(jù)的形式體現(xiàn)在許多部門中[5]。如今，公司從客戶、供應(yīng)商和團(tuán)隊(duì)那里接收到的信息已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了他們處理和分析的能力。通過基于5G連接的大數(shù)據(jù)分析，這些企業(yè)可以將大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作的知識(shí)。此外，5G也將有望用于從云游戲到遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域，改善人們的用戶體驗(yàn)。

總結(jié)

總而言之，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技水平的不斷提高，全世界范圍內(nèi)的無線通信技術(shù)也隨之蓬勃發(fā)展，經(jīng)過了從1G到5G的演化，對(duì)應(yīng)的制造技術(shù)和算法手段也在一定程度上促進(jìn)了無線通信技術(shù)的發(fā)展，目前，2020年后移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、智能家居、大數(shù)據(jù)交流等重要領(lǐng)域的發(fā)展有重要的創(chuàng)新和促進(jìn)作用[6-8]。所以，我們需要重視無線通信技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，要以技術(shù)的完善和提升作為研究要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)通信領(lǐng)域的整體提升，并為下一代通信技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)預(yù)研，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)提供一份力量。

參考文獻(xiàn)：

[1] Chen， Sz.， Kang， Sl. A tutorial on 5G and the progress in China. Frontiers Inf Technol Electronic Eng 2018， 19， 309–321.

[2] Zikria， Y.B.; Kim， S.W.; Afzal， M.K.; Wang， H.; Rehmani， M.H. 5G Mobile Services and Scenarios： Challenges and Solutions. Sustainability 2018， 10， 3626.

[3]李曉逸. 5G認(rèn)證協(xié)議設(shè)計(jì)及形式化驗(yàn)證[D].北京交通大學(xué)，2021.

[4]雅凡. 基于5G網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)信息的室內(nèi)定位技術(shù)及應(yīng)用[D].北京交通大學(xué)，2021.

[5]靳婉瑩. 基于數(shù)據(jù)挖掘的5G電信用戶預(yù)測(cè)研究[D].大連理工大學(xué)，2021.

[6]陳陽，王攀，李輝，李建奎，劉春遠(yuǎn)，張明. 基于BIM+5G環(huán)境的智慧工地集成化應(yīng)用技術(shù)[C]//2021第十屆“龍圖杯”全國(guó)BIM大賽獲獎(jiǎng)工程應(yīng)用文集. 2021：130-136.

[7]王新. 粘接技術(shù)與5G智能穿戴智能家居和智慧城市[C]//北京粘接學(xué)會(huì)第30屆學(xué)術(shù)年會(huì)暨綠色建筑膠粘劑論壇暨第五屆京津冀粘接技術(shù)研討會(huì)論文集. 2021：30-33.

[8]馮磊. 5G技術(shù)在亭子口水利樞紐庫壩安全智能巡檢方面的研究應(yīng)用[C]//中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)自動(dòng)化專委會(huì)2021年年會(huì)暨全國(guó)水電廠智能化應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集. 2021：18-20.

作者簡(jiǎn)介王新宇，男，山東章丘，漢族，1981.7.4，本科，無線通信，工程師