5G技術及其應用探討

朱建興

廣州理工學院 廣東 廣州 510540

5G或5G技術是第五代移動通信技術（英語：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation）的簡稱，是最新一代蜂窩移動通信技術，也是繼4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）移動通信技術之后的延伸。

2015年10月26日至30日，在瑞士日內瓦召開的2015無線電通信全會上，國際電信聯盟（ITU）正式批準了三項有利于推進未來5G研究進程的決議，并正式確定了5G的法定名稱是“IMT-2020”。

1 5G的三大特點

（1）大規模機器通信（mMTC）。設備的連接密度相比4G將提升100倍，支持每平方公里100萬臺低功率、低帶寬、低成本和對時延要求不高的設備連接，能實現從生產到消費的全環節、從人到物的全場景覆蓋，即“萬物互聯”；

（2）增強型移動寬帶（eMBB）。其峰值速率將是4G網絡的10倍以上，可達到10Gbps的峰值吞吐率，對應的是大流量移動寬帶業務；

（3）高可靠低時延通信（uRLLC）。通信的響應速度可降至1ms級別，如自動駕駛汽車探測到障礙物后的響應速度將比人的反應更快，將助推自動駕駛汽車從實驗室開到路上，而且可以支持高速移動（500km/h）情況下的高可靠性（99.999%）連接。

2 5G的關鍵技術

（1）大規模天線技術（Massive MIMO）[1]。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系統，是指在發射端和接收端分別使用多個天線，形成MIMO通信鏈路。通過添加多個天線，可以為無線信道帶來更大的自由度，以容納更多的信息數據。

（2）毫米波技術（mm Wave）。毫米波是一種頻率為30～300GHz的無線電磁波，5G采用的頻段是24～100GHz，目的主要是能夠提供更大的帶寬和更高的數據速率。

（3）云無線接入技術（C-RAN）。將傳統的無線接入網功能軟件化、虛擬化，部署到標準的云環境中，從而提升設計的靈活性和計算的可擴展性，提升能效和減少集成成本，實現資源共享和動態調度，提高頻譜效率，以達到低成本、高帶寬和靈活度的運營。

（4）網絡功能虛擬化技術（NFV）。就是通過虛擬化技術將網絡功能軟件化，并運行于通用硬件設備上，以替代傳統的專用網絡硬件設備，實現配置的靈活性、可擴展性和移動性。

（5）軟件定義網絡技術（SDN）。SDN是一種新型網絡創新架構，是網絡虛擬化的一種實現方式，其核心技術OpenFlow通過將網絡設備控制業務與數據業務分離開，從而可以實現網絡流量的靈活控制，使網絡作為管道變得更加智能化。

（6）網絡切片技術（Network Slice）。該技術是一種按需組網方式，可以讓運營商在統一的基礎設施上切出多個虛擬的端到端網絡，其目的是為不同的行業或企業在運營商的5G網絡上開辟一個“專用虛擬網絡”，以達到行業或企業特性化和個性化的需求。

（7）多接入邊緣計算技術（MEC）。該技術就是將數據存儲和計算能力有效地部署在更靠近用戶的邊緣，從而可以降低網絡時延，提供更多的低時延、高寬帶應用。

（8）前傳和回傳技術。由于5G無線速率大幅提升、MIMO天線數量成倍增加，傳統的4G CPRI協議無法滿足前傳容量和時延要求，為此，標準組織正在研究和制定新的前傳技術。另外，在光纖難以部署的區域，無線回傳是一種可選的最佳方案，如采用點對點微波、無線mesh網絡等。

3 5G應用

（1）窄帶物聯網（NB-IOT）。據統計，在日常生活中，真正的物聯網高速應用只有10%左右（3G或4G業務），中等速率約占30%（GPRS業務），約60%的低速業務還缺少蜂窩技術的支持，而實際中，對這種廣覆蓋、低成本、低速率、低功耗的應用訴求非常強烈，如水、電、氣抄表、路燈管理等網絡需求，理論上這種業務在一個普通小區可以支持約50000個連接，可廣泛應用在智慧城市、設備管理、消費電子、智慧建筑、智能物流、農業環境等領域。

（2）虛擬現實（VR）。一部8GB的高清電影，如果使用3G網絡（假設14Mbps的下載速率），將需要約90min的時間才能完成下載；如果使用4G網絡（假設150Mbps的下載速率），則需要約9min的時間可以完成，但這個時間顯然還是覺得時間太長，隨著5G技術的發展，同樣的內容，我們可以感受到“秒級別”的體驗。這種大流量視頻VR技術的發展可以在教育、娛樂、網購、社交、展會、發布會等領域得到廣泛應用。

（3）車聯網、遠程醫療及智能制造。未來車輛實現自動駕駛是主要的發展趨勢，這就要求車與車、車與路及障礙物之間要有極高的協調性，同時對“時延”提出了非常高的要求。對于自動駕駛業務，基于安全性的考慮，要求移動網絡的時延必須控制在“毫秒級”的量級內，這樣才能保證自動駕駛汽車在遇到緊急情況時，可以快速啟動制動系統，達到安全的制動距離，而這種毫秒級的超低時延是4G網絡無法滿足的。

總之，5G是一個端到端的、全移動的、全連接的生態系統，小到個人穿戴、智能家居、云化辦公，大到工業、農業、醫療、教育、金融、環境等行業領域，5G都能滿足全互聯的需求，其發展趨勢就是要向“大連接、高速率、低時延”的方向發展，真正做到“信息隨心至、萬物觸手及”。