第五代移动通信技术浅析

第五代移动通信技术浅析

赵志国 周晓菲 郝慧茹

华北理工大学人工智能学院

摘要：随着时代的发展，人们对上网质量的要求逐渐增高，4G光纤网络已经远远不能满足当代社会的需求，第五代移动通信（5G）逐渐开始成型、发展，成为最新一代的蜂窝移动通信技术，5G移动网络致力于容纳更多的用户和多样化的服务场景，5G移动网络有望显著提高服务体验质量，为一切互联铺平道路。本文将对5G网络通信的发展过程、关键技术以及主要应用领域做出初步研究。

关键词：5G网络、发展过程、关键技术、应用领域

引言：移动通信是领航新一代信息技术与产业发展的支柱力量，与大数据、智能制造等及技术代表了第三次产业革命的基本走向。近年来，移动通信业正在急速发展，在传统移动业务蓬勃发展的同时，一些新兴的业务也正随着移动互联网技术不断演进而迅速深入人们的生活。在这些迅速发展的多样化业务需求驱动下，全球移动数据流量及用户量都呈现爆炸式增长。为迎接移动数据流量迅速增长、多元化业务持续涌现，以及优质网络服务高度需求的5G时代的到来，无线接入网络必须向着更高效率、更低成本的方向迈进。

关键词：移动通信、全球移动数据流量及用户量、5G时代、无线接入网络

1. 第五代移动通信技术的基本概念

5G移动网络与早期的2G、3G和4G移动网络一样，5G网络是数字蜂窝网络，在这种网络中，供应商覆盖的服务区域被划分为许多被称为蜂窝的小地理区域。表示声音和图像的模拟信号在手机中被数字化，由模数转换器转换并作为比特流传输。蜂窝中的所有5G无线设备通过无线电波与蜂窝中的本地天线阵和低功率自动收发器（发射机和接收机）进行通信。收发器从公共频率池分配频道，这些频道在地理上分离的蜂窝中可以重复使用。本地天线通过高带宽光纤或无线回程连接与电话网络和互联网连接。与现有的手机一样，当用户从一个蜂窝穿越到另一个蜂窝时，他们的移动设备将自动“切换”到新蜂窝中的天线。

5G网络的主要优势在于，数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络，最高可达10Gbit/s，比当前的有线互联网要快，比先前的4G LTE蜂窝网络快100倍。另一个优点是较低的网络延迟（更快的响应时间），低于1毫秒，而4G为30-70毫秒。由于数据传输更快，5G网络将不仅仅为手机提供服务，而且还将成为一般性的家庭和办公网络提供商，与有线网络提供商竞争。

2. 第五代移动通信技术的发展历程

2013年5月13日，韩国三星电子有限公司宣布，已成功开发第5代移动通信（5G）的核心技术，这一技术预计将于2020年开始推向商业化。

中国5G技术研发试验将在2016-2018年进行，分为5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证三个阶段实施。2017年2月9日，国际通信标准组织3GPP宣布了“5G”的官方Logo。11月下旬中国工信部发布通知，正式启动5G技术研发试验第三阶段工作。2017年12月21日，在国际电信标准组织3GPP RAN第78次全体会议上，5G NR首发版本正式冻结并发布。

2018年是5G网络发展最迅速的时期，2月23日，在世界移动通信大会召开前夕，沃达丰和华为宣布，两公司在西班牙合作采用非独立的3GPP 5G新无线标准和Sub6 GHz频段完成了全球首个5G通话测试。6月13日，3GPP 5G NR标准SA（Standalone，独立组网）方案在3GPP第80次TSG RAN全会正式完成并发布，这标志着首个真正完整意义的国际5G标准正式出炉。6月28日，中国联通公布了5G部署：将以SA为目标架构，前期聚焦eMBB。

2020年6月30 日，在“GSMA Thrive·万物生晖”在线展会的“5G独立组网部署指南产业发布会上”，中国电信副总经理刘桂清以《中国电信5G SA计划》为题，阐述中国电信5G独立组网、云网融合、5G核心价值等发展思路，强调5G SA战略是云网融合的最佳实践。9月15日，以“5G新基建，智领未来”为主题的5G创新发展高峰论坛在重庆举行。中国5G用户超过1.1亿，计划2020年底5G基站将超过60万个，覆盖全国地级以上城市。

三、第五代移动通信技术的关键技术

1.超密集异构网络

5G网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。随着各种智能终端的普及，面向2020年及以后，移动数据流量将呈现爆炸式增长。在未来5G网络中，减小小区半径，增加低功率节点数量，是保证未来5G网络支持1000倍流量增长的核心技术之一。因此， 超密集异构网络成为未来5G网络提高数据流量的关键技术

2.自组织网络

传统移动通信网络中，主要依靠人工方式完成网络部署及运维，既耗费大量人力资源又增加运行成本，而且网络优化也不理想。在未来5G网络中，将面临网络的部署、运营及维护的挑战，这主要是由于网络存在各种无线接入技术，且网络节点覆盖能力各不相同，它们之间的关系错综复杂。因此，自组织网络（self-organizing network, SON）的智能化将成为5G网络必不可少的一项关键技术。

3.内容分发网络

在5G中，面向大规模用户的音频、视频、图像等业务急剧增长，网络流量的爆炸式增长会极大地影响用户访问互联网的服务质量。如何有效地分发大流量的业务内容，降低用户获取信息的时延，成为网络运营商和内容提供商面临的一大难题。仅仅依靠增加带宽并不能解决问题，它还受到传输中路由阻塞和延迟、网站服务器的处理能力等因素的影响，这些问题的出现与用户服务器之间的距离有密切关系。内容分发网络（content distribution network, CDN）会对未来5G网络的容量与用户访问具有重要的支撑作用。

4. D2D通信

在5G网络中，网络容量、频谱效率需要进一步提升，更丰富的通信模式以及更好的终端用户体验也是5G的演进方向。设备到设备通信（device-to-device communication, D2D）具有潜在的提升系统性能、增强用户体验、减轻基站压力、提高频谱利用率的前景。因此，D2D是未来5G网络中的关键技术之一。

5.M2M通信

6.信息中心网络

随着实时音频、高清视频等服务的日益激增，基于位置通信的传统TCP/IP网络无法满足数据流量分发的要求。网络呈现出以信息为中心的发展趋势。信息中心网络（information-centric network, ICN）的思想最早是1979年由Nelson提出来的，后来被Baccala强化。作为一种新型网络体系结构，ICN的目标是取代现有的IP。

四、第五代移动通信技术的应用领域

第五代移动通信技术目前为止主要应用于车联网与自动驾驶、外科手术、智能电网等方面。随着技术的逐渐成熟，5G移动通信技术所涉及的领域将会更加广阔。

参考文献：

[1]谷志群,肖玉明,张佳玮,纪越峰.5G光与无线融合接入网及其关键技术研究进展[J/OL].太原理工大学学报:1-10[2021-05-04].http://kns.cnki.net/kcms/detail/14.1220.N.20210428.1346.004.html.

[2]黄宇红,孙奇,贾民丽,段然,陈卓.智简5G无线网络技术初探[J/OL].电信科学:1-10[2021-05-04].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2103.TN.20210428.1351.002.html.

[3]李芳,赵文玉,张海懿.面向云网融合的5G承载网络技术发展趋势探讨[J].通信世界,2021(09):25-26.