淺談5G移動通訊網絡發展及應用

李 響

（成都列五中學，成都 610031）

1 5G移動通訊技術

5G，即第五代移動電話行動通信標準，也稱第五代移動通訊技術，5G中采用了的超密集組網（Ultra Density Networks，UDNs），以滿足每平方公里百萬級別的接入設計。

1.1 發展歷程

人類追求高質量通訊的腳步從未停止，從結繩記事到烽火狼煙，可傳遞的消息在時間和空間上的跨度愈來愈大。直到第一代移動通訊網絡技術（1g）的面世，民眾才體會到無線通訊的便利，此技術首先由日本的NTT（Nippon Telephone and Telegragh）系統實現，后傳到歐洲[1]。到了八十年代，隨著集成電路的發明，數字通信成為了現實，隨后便涌現出了如GSM、IDEN等2g網絡通訊系統。隨著移動終端的更新換代，對數據流量的需求爆發式增長，第三代網絡通訊技術（3g）應運而生，實現了移動視頻通話、VoIP（網絡電話服務系統）等服務。不久之后，4G也來了，網速更快，容量更大，更加靈活智能。早在2009年，華為技術有限公司便投身于對5G的研發，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年前后面向民眾實現商用。

1.2 5G發展中存在的待解決問題

自從4G在全球普及后，5G的發展愈發迅猛，可在這迅猛的發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

為實現上文中提到的超密集組網結構，蜂窩網的結構由傳統的單層結構網絡變成了多層的無線異構網絡（Hetergeneous Network，HetNet）。而這種異化結構所面臨的問題，便是頻譜的分配，由于不同的網絡單元是復用頻譜資源的，因此跨層和同層的干擾會影響網絡質量。

（2）標準不統一

盡管5G技術前景廣闊，但離正式商用仍有一段時間，且5G標準也尚未正式確定，技術操作性的互開放標準對于通訊產品的互通十分重要，歐盟已向聯合國提出申請統一全球5G標準，以增強世界經濟互通性。國際電信聯盟也啟動了5G標準研究工作，其中包括IMT-2020（5G）等工作計劃。

（3）連續廣泛覆蓋的高速移動網絡

持續為用戶提供高速的移動網絡服務是5G所面臨的另一挑戰，在高速移動的載具上，如高鐵、動車上，在人流量極大的公共場合，如何保證5G所提供的高速網絡不受這些外來因素的影響是現在各個5G研發團隊的“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鍵[2]。

2 5G先進技術

2.1 大規模MIMO系統

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output），即多輸入多輸出系統。如字面所見，網絡信息由多個電塔發射，再由多個電塔接受，這種多徑的傳播方式便是MIMO。MIMO卻將多徑傳播變成了一項有利條件，使其擁有了足夠大的數據率，可以承載5G龐大的數據接收。硬件的發展使得大規模MIMO技術相較于傳統的基站可以容納更多的接入，可以更精準地定向傳輸數據，減小了用戶之間的相互干擾。MIMO技術的本質，即是將天線分集和空時處理進行有機結合[3]。目前，大規模MIMO技術仍處于研發階段，并取得了一定成果，但研發不夠全面，仍存在一些問題，如理論和實際的實驗條件不相符等。研究大規模MIMO技術在理論和實際方面都具有重要意義。圖1展示了大規模MIMO原理框圖。

圖1 大規模MIMO原理框圖

2.2 軟件定義網絡

軟件定義網絡（Software De fi ned Network，SDN），其核心是將網絡設備控制面與數據面分離開來，從而實現了網絡流量的靈活控制[4]。SDN可以使網絡設備脫離固件的限制，以使其可以像軟件一樣被輕松升級、擴容，SDN技術能夠有效降低設備負載，協助網絡運營商更好地控制基礎設施，降低整體運營成本，成為最具前途的網絡技術之一。

2.3 網絡功能虛擬化

網絡功能虛擬化（Network Function Vitrualization，NFV），和SDN類似，可以讓網絡設備不再拘泥于硬件，它將網絡節點分割成幾個功能部分，分別再以軟件方式實施，其核心是虛擬網絡功能[5]。上文提到SDN的具有良好發展前景，而NFV可以促進SDN的進一步發展，二者相輔相成，成為5G的核心技術。

2.4 非正交多址技術

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

3 5G移動通訊技術的應用

5G擁有更高的傳輸速率，更低的時間延遲，未來將應用于各個領域中，將會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移動通信技術的應用領域，大致可以分為民用5G和軍用5G兩大類。

3.1 民用5G

在可預見的未來，民用5G技術將會深入到人類生活的方方面面，加速普及物聯網和云端化生活，以及提升智能交互。基于物聯網的智能家居行業正在逐漸興起，5G更高的傳輸速率、更短的時間延遲、更大規模和更低功耗，能夠有效滿足智能家居中各類設備的特殊需求，人類可以與物體之間進行流暢的“交流”。物聯網時代也將真正意義上的到來。基于車聯網的遠程駕駛、編隊行駛和自動駕駛得以實現，5G龐大的帶寬容量和接近零時延的特性，正在讓自動駕駛進入現實生活中，這將極大的方便人們的出行。5G將會運用到智能制造、智慧能源、智慧農業、智慧醫療和智慧城市等領域中，基于5G網絡的遠程醫療，將對農村的醫療現狀產生深遠變革，使得大山深處的人們能夠在家門口就能看上專家號。5G智慧農業通過各種傳感器可以實現隨時監控土壤的濕度、溫度和肥度等因素，并做出實時處理，從而提高農作物產量。

5G 時代的到來，4K甚至是8K視頻將能夠實現流暢地實時播放，人們可以在1s之內下好一部高清電影，5G極高的網絡傳輸速率或許會讓本地硬盤被云端取代，人類的生活、工作和娛樂都會有“云”的身影。5G能夠滿足AR和VR對帶寬的巨大需求和需要大量的數據傳輸、存儲與計算功能，將極大的改善基于AR和VR的游戲、電影等娛樂用戶體驗感，移動視頻業務也將不斷發展，一些領先的社交網絡將推出基于AR和VR直播視頻，提供身臨其境的感覺和保證實時的互動性。總的來說，5G將極大改善人們的生產與生活，也將促進智能時代的提前到來。

3.2 軍用 5G

一個國家的強盛，最直接表現于其軍隊的作戰能力。戰場瞬息萬變，情報的掌握可以左右一場戰役的勝負，與現有通信系統相比，5G在傳輸速率和穩定性方面有質的飛躍，可以輕易地實現情報的對接和信息破譯。在5G的情報交互網的保證下，軍隊可實現戰場信息終端的互聯互通，通訊達到近乎無阻礙的標準，顯著降低軍事行動成本，軍隊作戰能力將在5G的加持下獲得飛躍。5G亦可用于無人機和安防領域，實現實時高清視頻的傳輸。

4 結束語

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。5G所蘊含的潛力不可估量，人工智能、物聯網、車聯網、智能制造等技術離不開5G的支持。盡管當前5G也還存在著一些問題，但隨著科技的發展，這些問題將會被逐一解決，5G也將成為電信通訊方面又一里程碑式的技術。