淺談5G移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及應(yīng)用

李 響

（成都列五中學(xué)，成都 610031）

1 5G移動(dòng)通訊技術(shù)

5G，即第五代移動(dòng)電話行動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，也稱第五代移動(dòng)通訊技術(shù)，5G中采用了的超密集組網(wǎng)（Ultra Density Networks，UDNs），以滿足每平方公里百萬級(jí)別的接入設(shè)計(jì)。

1.1 發(fā)展歷程

人類追求高質(zhì)量通訊的腳步從未停止，從結(jié)繩記事到烽火狼煙，可傳遞的消息在時(shí)間和空間上的跨度愈來愈大。直到第一代移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（1g）的面世，民眾才體會(huì)到無線通訊的便利，此技術(shù)首先由日本的NTT（Nippon Telephone and Telegragh）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，后傳到歐洲[1]。到了八十年代，隨著集成電路的發(fā)明，數(shù)字通信成為了現(xiàn)實(shí)，隨后便涌現(xiàn)出了如GSM、IDEN等2g網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)。隨著移動(dòng)終端的更新?lián)Q代，對(duì)數(shù)據(jù)流量的需求爆發(fā)式增長(zhǎng)，第三代網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)（3g）應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)視頻通話、VoIP（網(wǎng)絡(luò)電話服務(wù)系統(tǒng)）等服務(wù)。不久之后，4G也來了，網(wǎng)速更快，容量更大，更加靈活智能。早在2009年，華為技術(shù)有限公司便投身于對(duì)5G的研發(fā)，隨后，韓國、美國、加拿大、日本等國均躋身于5G的研究之中，5G也有望在2020年前后面向民眾實(shí)現(xiàn)商用。

1.2 5G發(fā)展中存在的待解決問題

自從4G在全球普及后，5G的發(fā)展愈發(fā)迅猛，可在這迅猛的發(fā)展速度下仍然存在一些尚未解決的問題。

（1）頻譜資源分配不足

為實(shí)現(xiàn)上文中提到的超密集組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，蜂窩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的單層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)變成了多層的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Hetergeneous Network，HetNet）。而這種異化結(jié)構(gòu)所面臨的問題，便是頻譜的分配，由于不同的網(wǎng)絡(luò)單元是復(fù)用頻譜資源的，因此跨層和同層的干擾會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

（2）標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

盡管5G技術(shù)前景廣闊，但離正式商用仍有一段時(shí)間，且5G標(biāo)準(zhǔn)也尚未正式確定，技術(shù)操作性的互開放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于通訊產(chǎn)品的互通十分重要，歐盟已向聯(lián)合國提出申請(qǐng)統(tǒng)一全球5G標(biāo)準(zhǔn)，以增強(qiáng)世界經(jīng)濟(jì)互通性。國際電信聯(lián)盟也啟動(dòng)了5G標(biāo)準(zhǔn)研究工作，其中包括IMT-2020（5G）等工作計(jì)劃。

（3）連續(xù)廣泛覆蓋的高速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

持續(xù)為用戶提供高速的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是5G所面臨的另一挑戰(zhàn)，在高速移動(dòng)的載具上，如高鐵、動(dòng)車上，在人流量極大的公共場(chǎng)合，如何保證5G所提供的高速網(wǎng)絡(luò)不受這些外來因素的影響是現(xiàn)在各個(gè)5G研發(fā)團(tuán)隊(duì)的“燃眉之急”。而站址和頻譜資源受限是最大瓶頸，如何充分利用站址和頻譜資源是解決問題的關(guān)鍵[2]。

2 5G先進(jìn)技術(shù)

2.1 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output），即多輸入多輸出系統(tǒng)。如字面所見，網(wǎng)絡(luò)信息由多個(gè)電塔發(fā)射，再由多個(gè)電塔接受，這種多徑的傳播方式便是MIMO。MIMO卻將多徑傳播變成了一項(xiàng)有利條件，使其擁有了足夠大的數(shù)據(jù)率，可以承載5G龐大的數(shù)據(jù)接收。硬件的發(fā)展使得大規(guī)模MIMO技術(shù)相較于傳統(tǒng)的基站可以容納更多的接入，可以更精準(zhǔn)地定向傳輸數(shù)據(jù)，減小了用戶之間的相互干擾。MIMO技術(shù)的本質(zhì)，即是將天線分集和空時(shí)處理進(jìn)行有機(jī)結(jié)合[3]。目前，大規(guī)模MIMO技術(shù)仍處于研發(fā)階段，并取得了一定成果，但研發(fā)不夠全面，仍存在一些問題，如理論和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件不相符等。研究大規(guī)模MIMO技術(shù)在理論和實(shí)際方面都具有重要意義。圖1展示了大規(guī)模MIMO原理框圖。

圖1 大規(guī)模MIMO原理框圖

2.2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software De fi ned Network，SDN），其核心是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制[4]。SDN可以使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備脫離固件的限制，以使其可以像軟件一樣被輕松升級(jí)、擴(kuò)容，SDN技術(shù)能夠有效降低設(shè)備負(fù)載，協(xié)助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商更好地控制基礎(chǔ)設(shè)施，降低整體運(yùn)營成本，成為最具前途的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。

2.3 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Vitrualization，NFV），和SDN類似，可以讓網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不再拘泥于硬件，它將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分割成幾個(gè)功能部分，分別再以軟件方式實(shí)施，其核心是虛擬網(wǎng)絡(luò)功能[5]。上文提到SDN的具有良好發(fā)展前景，而NFV可以促進(jìn)SDN的進(jìn)一步發(fā)展，二者相輔相成，成為5G的核心技術(shù)。

2.4 非正交多址技術(shù)

蜂窩移動(dòng)通信的無線接入技術(shù)通常以非正交多址技術(shù)（NOMA）為核心。NOMA的本質(zhì)即為通過提高接收機(jī)的復(fù)雜度來換取良好的頻譜效率。為滿足5G的系統(tǒng)容量和吞吐量，NOMA允許用戶通過功率或碼率復(fù)用以共享頻率與時(shí)間資源，具有廣闊的市場(chǎng)前景[6]。

3 5G移動(dòng)通訊技術(shù)的應(yīng)用

5G擁有更高的傳輸速率，更低的時(shí)間延遲，未來將應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中，將會(huì)極大的改善人們的通信交流方式，讓人類的生活更加方便高效。按照5G移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，大致可以分為民用5G和軍用5G兩大類。

3.1 民用5G

在可預(yù)見的未來，民用5G技術(shù)將會(huì)深入到人類生活的方方面面，加速普及物聯(lián)網(wǎng)和云端化生活，以及提升智能交互?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能家居行業(yè)正在逐漸興起，5G更高的傳輸速率、更短的時(shí)間延遲、更大規(guī)模和更低功耗，能夠有效滿足智能家居中各類設(shè)備的特殊需求，人類可以與物體之間進(jìn)行流暢的“交流”。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代也將真正意義上的到來。基于車聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程駕駛、編隊(duì)行駛和自動(dòng)駕駛得以實(shí)現(xiàn)，5G龐大的帶寬容量和接近零時(shí)延的特性，正在讓自動(dòng)駕駛進(jìn)入現(xiàn)實(shí)生活中，這將極大的方便人們的出行。5G將會(huì)運(yùn)用到智能制造、智慧能源、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療和智慧城市等領(lǐng)域中，基于5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療，將對(duì)農(nóng)村的醫(yī)療現(xiàn)狀產(chǎn)生深遠(yuǎn)變革，使得大山深處的人們能夠在家門口就能看上專家號(hào)。5G智慧農(nóng)業(yè)通過各種傳感器可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)監(jiān)控土壤的濕度、溫度和肥度等因素，并做出實(shí)時(shí)處理，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

5G 時(shí)代的到來，4K甚至是8K視頻將能夠?qū)崿F(xiàn)流暢地實(shí)時(shí)播放，人們可以在1s之內(nèi)下好一部高清電影，5G極高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率或許會(huì)讓本地硬盤被云端取代，人類的生活、工作和娛樂都會(huì)有“云”的身影。5G能夠滿足AR和VR對(duì)帶寬的巨大需求和需要大量的數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)與計(jì)算功能，將極大的改善基于AR和VR的游戲、電影等娛樂用戶體驗(yàn)感，移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)也將不斷發(fā)展，一些領(lǐng)先的社交網(wǎng)絡(luò)將推出基于AR和VR直播視頻，提供身臨其境的感覺和保證實(shí)時(shí)的互動(dòng)性?？偟膩碚f，5G將極大改善人們的生產(chǎn)與生活，也將促進(jìn)智能時(shí)代的提前到來。

3.2 軍用 5G

一個(gè)國家的強(qiáng)盛，最直接表現(xiàn)于其軍隊(duì)的作戰(zhàn)能力。戰(zhàn)場(chǎng)瞬息萬變，情報(bào)的掌握可以左右一場(chǎng)戰(zhàn)役的勝負(fù)，與現(xiàn)有通信系統(tǒng)相比，5G在傳輸速率和穩(wěn)定性方面有質(zhì)的飛躍，可以輕易地實(shí)現(xiàn)情報(bào)的對(duì)接和信息破譯。在5G的情報(bào)交互網(wǎng)的保證下，軍隊(duì)可實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)信息終端的互聯(lián)互通，通訊達(dá)到近乎無阻礙的標(biāo)準(zhǔn)，顯著降低軍事行動(dòng)成本，軍隊(duì)作戰(zhàn)能力將在5G的加持下獲得飛躍。5G亦可用于無人機(jī)和安防領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高清視頻的傳輸。

4 結(jié)束語

綜上所述，5G無論被用之于民還是國家都大有益處，正所謂4G改變生活，5G改變社會(huì)。5G所蘊(yùn)含的潛力不可估量，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能制造等技術(shù)離不開5G的支持。盡管當(dāng)前5G也還存在著一些問題，但隨著科技的發(fā)展，這些問題將會(huì)被逐一解決，5G也將成為電信通訊方面又一里程碑式的技術(shù)。