5G通信技術(shù)的介紹及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

謝雨岑 李 森

（北華大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132013）

1 5G通信技術(shù)簡(jiǎn)介

5G，顧名思義，即第五代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，相比于4G，它具有更高的帶寬以及更快的網(wǎng)速，5G移動(dòng)技術(shù)也對(duì)未來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)還有物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。目前，5G數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要是依托數(shù)字結(jié)構(gòu)層來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集、提取和監(jiān)控。當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)字結(jié)構(gòu)層主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層，準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)信息，對(duì)通信狀況進(jìn)行全方位監(jiān)控，理應(yīng)重視優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化結(jié)構(gòu)層。感知層是數(shù)字結(jié)構(gòu)中的最底層，多對(duì)應(yīng)應(yīng)用環(huán)境部署的終端網(wǎng)絡(luò)，涉及多個(gè)模塊。其中，傳感模塊主要功能是對(duì)通信狀況進(jìn)行感知和提煉采集，該系統(tǒng)配置中安裝了日益成熟的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備以及安防報(bào)警設(shè)備。系統(tǒng)內(nèi)部所部署的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信息是NB-IoT通信模塊的核心任務(wù)之一，等到這一模塊接收網(wǎng)關(guān)所下單的指令后立刻做出響應(yīng)，然后按照標(biāo)準(zhǔn)要求完成數(shù)據(jù)信號(hào)的及時(shí)上發(fā)操作。NB-IoT通信模塊采用的是移動(dòng)BC-35G，為真正實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)通就需要借助BC28內(nèi)核，能夠?yàn)槎囝l段信號(hào)傳輸提供充足的支持，優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為體積小、功耗低、性能高。

網(wǎng)絡(luò)層所應(yīng)用的NB-IoT技術(shù)可以增加最大的鏈路預(yù)算是20dB，其覆蓋面積也會(huì)擴(kuò)大100倍，與此同時(shí)，在基站單扇區(qū)，能得到支持的UE連接多達(dá)5萬(wàn)個(gè)以上，因此，能對(duì)整個(gè)通信狀況進(jìn)行全方位監(jiān)控。

數(shù)據(jù)層系統(tǒng)可以充分利用OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，這是一個(gè)專門在接收、處理數(shù)據(jù)時(shí)所利用的開(kāi)放平臺(tái)，平臺(tái)定位于PssS，短時(shí)間內(nèi)所搭建的應(yīng)用系統(tǒng)相對(duì)比較安全、穩(wěn)定，能夠支持多種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備接入，在開(kāi)發(fā)SDK時(shí)支持多種語(yǔ)言。為提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性能，就需要使用專門的CoAP協(xié)議所使用的DTLS加密通道，確保能夠信息收集管理工作的安全性。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為以下四種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端組網(wǎng)拓?fù)浞绞剑?/p>

第一，總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)組合簡(jiǎn)單，部署靈活。當(dāng)代總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以按照同一個(gè)信道與多個(gè)終端相連接，同時(shí)，為總線上相接每個(gè)終端，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為成本低、連接方式簡(jiǎn)單，便于更好地讓交互終端之間的信息與共享信息。但是，這一結(jié)構(gòu)也存在許多不足，諸如信號(hào)傳輸與交互過(guò)程中會(huì)相互影響、信息傳送存在延時(shí)、故障診斷困難、隔離維護(hù)工作難度較大、很容易導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

第二，樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是以總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，加入適當(dāng)?shù)姆种?，分支結(jié)果具有對(duì)稱性。這種結(jié)構(gòu)能夠有效解決總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所具有的弊端，但是無(wú)法充分地共享節(jié)點(diǎn)間的信息，還會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

第三，環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)明顯不同于其他三種拓?fù)湫问?，?jiǎn)而言之，該結(jié)構(gòu)屬于一種特殊的閉合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它在與各個(gè)終端相連接的過(guò)程中能夠充分借助所有環(huán)形通道，將請(qǐng)求信息發(fā)送給任何終端，而信息接收則交給其他終端負(fù)責(zé)，以此能夠雙向傳輸環(huán)形網(wǎng)中的各種數(shù)據(jù)。值得一提的是，一旦在這個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓，穩(wěn)定性效果不佳。

第四，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所采取的組網(wǎng)形式就在于從中央的節(jié)點(diǎn)向外輻射的終端，借助中央節(jié)點(diǎn)就能夠?qū)ζ渌K端通信實(shí)現(xiàn)集中控制與管理，無(wú)須通過(guò)選擇路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，如果某個(gè)終端出現(xiàn)故障，也便于查找和維護(hù)，因此不會(huì)給其他終端的工作造成干擾，為更加良好地?cái)U(kuò)展工作提供便利。然而，因?yàn)橹醒牍?jié)點(diǎn)的工作流程較為復(fù)雜、作業(yè)量大，因此對(duì)標(biāo)準(zhǔn)性能提出了很高的要求。

2 5G通信技術(shù)的特點(diǎn)

當(dāng)前，在我國(guó)通信行業(yè)的演進(jìn)歷程之中，我國(guó)依次經(jīng)歷了“2G跟蹤，3G同步，4G突破”等方面的各個(gè)階段，5G即第五代移動(dòng)通信技術(shù)的研發(fā)和成果，這個(gè)是在傳統(tǒng)的通信技術(shù)之下，跳出了單一的傳統(tǒng)通信技術(shù)，使之能夠有效結(jié)合起來(lái)的一種綜合引用技術(shù)，5G在信息傳播的速度上具有先天的優(yōu)勢(shì)，在資源的利用上也有著前所未有的移動(dòng)效果，所以5G技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著一個(gè)更快、更便捷的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代正在來(lái)臨[1]。

5G技術(shù)有以下五項(xiàng)基本特征：

（1）5G通信技術(shù)研究在實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)的同時(shí)非常重視為用戶提供良好的體驗(yàn)，提高網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐速率，改善傳輸時(shí)延和虛擬現(xiàn)實(shí)效果，將3D與交互式游戲等新興移動(dòng)業(yè)務(wù)納入判斷5G系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。

（2）當(dāng)代5G通信技術(shù)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)模式下的移動(dòng)通信技術(shù)系統(tǒng)，目前，5G系統(tǒng)研究不僅能為點(diǎn)到點(diǎn)的物理層傳輸和信道編譯碼，以此為核心技術(shù)目標(biāo)，而且會(huì)將更為廣泛的多點(diǎn)范圍、多個(gè)用戶、多天線與多小區(qū)進(jìn)行協(xié)作組網(wǎng)，以此為突破重點(diǎn)，進(jìn)一步完善體系構(gòu)架，全面優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能，大幅度提高網(wǎng)絡(luò)速率。

（3）5G通信技術(shù)系統(tǒng)中的高頻段頻譜資源應(yīng)用更為廣泛，進(jìn)一步改善了技術(shù)功能。不可忽視的是，因?yàn)槭艿礁哳l段無(wú)線電波穿透能力的限制，所以會(huì)采用無(wú)線和有線相融合的模式以及光載無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸。

（4）在室內(nèi)，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)處于主導(dǎo)地位，5G技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是無(wú)線覆蓋性能和業(yè)務(wù)支撐能力設(shè)置，這樣能夠使傳統(tǒng)模式下的移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)變與升級(jí)，符合“以大范圍覆蓋為主、兼顧室內(nèi)”的設(shè)計(jì)理念。

（5）在未來(lái)，5G通信技術(shù)的主要研究方向是可實(shí)現(xiàn)“軟”配置的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營(yíng)商會(huì)結(jié)合業(yè)務(wù)流量的動(dòng)態(tài)變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)時(shí)調(diào)整，從而使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的成本和能源消耗得以有效降低。

3 涉及到5G通信的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)即多天線技術(shù)，該技術(shù)是由多個(gè)天線鏈路組合而成，因而，該項(xiàng)技術(shù)組合需要各種原件，其接收設(shè)備與發(fā)射機(jī)也有多個(gè)專業(yè)配套。接收天線能夠在設(shè)備上面實(shí)施分布，布置流程非常簡(jiǎn)便。相對(duì)而言，天線的數(shù)量越多，其頻譜效率與可靠性的提升愈加明顯。在組裝發(fā)射天線時(shí)，必須進(jìn)行集中或者實(shí)施分布排列。其次，多天線技術(shù)不僅能夠去除本身的MIMO，而且可以有效提升高頻譜利用效率，并降低能耗。另外，5G移動(dòng)通信技術(shù)能運(yùn)用較為簡(jiǎn)單的方法解決實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題，通過(guò)利用多天線技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)化，實(shí)施信號(hào)分散，從而有效提升時(shí)間與頻譜利用率。

3.2 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)

同時(shí)同頻全雙工技術(shù)不僅能夠提升頻率資源的利用率，而且能夠在同一時(shí)間接收到來(lái)自一條物理信道上的兩個(gè)不同方向的數(shù)據(jù)信號(hào)。其次，同頻全雙工技術(shù)能夠在同一時(shí)間完成信號(hào)發(fā)射與同頻數(shù)據(jù)信息接收工作，有效解決來(lái)自通信雙工節(jié)點(diǎn)自身發(fā)射機(jī)信號(hào)所產(chǎn)生的干擾問(wèn)題。此外，同時(shí)同頻全雙工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的快速應(yīng)用。當(dāng)5G通信用戶和應(yīng)用流量迅速增加，在傳統(tǒng)組網(wǎng)模式無(wú)法滿足相關(guān)需求，就需要借助同時(shí)同頻全雙工技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的接收與傳輸，為用戶提供良好的體驗(yàn)。

3.3 D2D通信

D2D英文全稱是Device-to-Device，即終端直通技術(shù)，該技術(shù)主要是指實(shí)現(xiàn)兩個(gè)對(duì)等的用戶節(jié)點(diǎn)之間的直接通信，屬于一種良好的通信方式。目前，在由D2D通信用戶所組成的分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，各用戶的節(jié)點(diǎn)均可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送與接收，同時(shí)兼具自動(dòng)路由（轉(zhuǎn)發(fā)消息）功能。其次，通信網(wǎng)路的參與者會(huì)共用一部分硬體資源，像信息處理技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)路連接能力等。所有共用資源能夠?yàn)榫W(wǎng)路提供更為良好的服務(wù)和資源，同時(shí)，能為其他用戶提供直接訪問(wèn)權(quán)限，無(wú)須經(jīng)過(guò)中間實(shí)體。另外，在D2D通信網(wǎng)路體系中，用戶節(jié)點(diǎn)兼具伺服器與客戶端的雙重角色，用戶可以了解彼此的存在，自動(dòng)組織成一個(gè)虛擬或者實(shí)際的群體[2]。

4 5G通信技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

5G是目前最前沿的移動(dòng)通信技術(shù)，其未來(lái)會(huì)朝著兩個(gè)方向去發(fā)展，一個(gè)是互聯(lián)網(wǎng)方向，另一個(gè)是物聯(lián)網(wǎng)方向。目前5G移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)成為了世界通信領(lǐng)域都在研究的對(duì)象，我國(guó)也早在2013年就已經(jīng)成立了5G移動(dòng)通信技術(shù)研究的小組，以此來(lái)更好地適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的高速發(fā)展。

在互聯(lián)網(wǎng)方面，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相較于2G、3G、4G，在5G移動(dòng)通信技術(shù)的背景下，網(wǎng)絡(luò)通信的整體環(huán)境在未來(lái)會(huì)更加科學(xué)、合理，這必將會(huì)帶動(dòng)一大批移動(dòng)業(yè)務(wù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，而要支撐這些移動(dòng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，就必須要有相對(duì)應(yīng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，這也將會(huì)是衡量5G移動(dòng)通信技術(shù)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，例如移動(dòng)和聯(lián)通等大型運(yùn)營(yíng)商就相繼推出了“5G+”“5Gn”等戰(zhàn)略規(guī)劃，牢牢地抓住了5G的產(chǎn)業(yè)鏈，將其與4G的業(yè)務(wù)牢牢地結(jié)合了起來(lái)，起到了應(yīng)有的效果[3]。

在物聯(lián)網(wǎng)方面，也出現(xiàn)了很多新的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)顧名思義就是物體與物體之間實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)機(jī)制，它能夠讓物體走向“智能化”的特點(diǎn)。此項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)許多以前人們?cè)?jīng)幻想過(guò)的事情，比如自動(dòng)駕駛功能，最典型的便是華為最近就在許多新能源汽車之中配置了自動(dòng)駕駛技術(shù)，并且也在網(wǎng)絡(luò)上流傳了相關(guān)的視頻，視頻里駕駛過(guò)程十分流暢，成熟度也非常高。業(yè)界也將自動(dòng)駕駛劃分為了L1-L5這5個(gè)級(jí)別，現(xiàn)今的技術(shù)已經(jīng)能達(dá)到L2等級(jí)，已步入了智能化的領(lǐng)域，相信在不久的將來(lái)，隨著5G技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)也能夠迎來(lái)一個(gè)質(zhì)的飛躍。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步，我相信在不久的將來(lái)，5G技術(shù)必將走向發(fā)展成熟的那一個(gè)時(shí)刻，到時(shí)候一定會(huì)有許多因?yàn)?G技術(shù)而誕生的新興產(chǎn)物等待我們?nèi)ヒ?jiàn)證，遙想4G為我們帶來(lái)了二維碼和直播產(chǎn)業(yè)，使我們的生活多了更多的便利和樂(lè)趣。未來(lái)的5G也是如此。未來(lái)的5G一定會(huì)被廣泛地應(yīng)用，并普及到每一個(gè)角落這是時(shí)代的改變也是對(duì)我們用戶的最大福利。