5G網絡帶來的技術革命

王君 何新宇 宋澤生 梁薇薇 譚康裕 郭中華 岑梓華

摘? 要：隨著時代的發展，各項科學技術都在新的時代背景下獲得了更加顯著地突破，尤其是關于新的通信系統的研制。如今的通信系統已發展到5G網絡，5G網絡相比于4G網絡有著速度快、低時延、低功耗等優點。5G不僅可以應對快速增長的數據量，同時在人工智能技術、物聯網、云計算等行業方面也有著很好的應用，5G網絡的出現讓很多行業煥發了嶄新的生機。同時，伴隨著許多技術的創新或者出現，5G網絡建設難題也隨之有了很多重大突破。本文結合5G網絡的創新，淺析了5G網絡帶來的變化，以及5G新技術和技術關鍵點。

關鍵詞：5G? 網絡通信? 技術革命? 主要技術

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（b）-0107-04

Technical Revolution of 5G Communication and Network

WANG Jun1，4? HE Xin yu1*? SONG Ze sheng2? LIANG Wei wei3? TAN Kang yu1? GUO Zhong hua1? CEN Zi hua1

（1. Nanfang College of Sun Yat-sen University， Guangzhou， Guangdong Province， 510970? China; 2. Nanchang University， NanChang， Jiangxi Province， 330027 China; 3. Chongqing University of Posts and telecommunications， Chongqing， 400065 China; 4.Guangzhou Hengtong Zhilian Technology Co.，Ltd.， Guangzhou， Guangdong Province， 510630 China）

Abstract： Tremendous breakthroughs were made in all fields of science and technology as we move forward， not least the development of communication system. Today's communication system has extended to 5G network， which is measured against 4G. 5G wins this battle， underpinning smooth speed， ultra-low latency and low power consumption. 5G will become a powerful technological platform capable to rapid response to data load， inspiring many a advanced applications， say， AI， IoT（Internet of Things） and Cloud Computing， etc. 5G is conceived for other sectors to wake up more vigorous booming with massive innovative technologies. Breakthroughs always come as hurdles in the course of 5G network development. All in all， we would analyze revolution and innovation brought by 5G network on the top of new 5G technology and technological pivotal points.

Key Words： 5G communication; network communication; technological revolution;primary technology

隨著通信行業的發展，技術的不斷更新，通信系統已從1G的“語音時代”發展到4G的“視頻時代”。但4G網絡數據傳輸延遲長，會有網絡延遲、卡頓等現象，同時大數據、云計算、物聯網等概念的提出，人們意識到4G網絡不能滿足新時代的發展，因此5G網絡技術及網絡建設需求日益劇增。

截至2020年7月底，全球已有46個國家或地區的99家網絡運營商開始提供5G業務。美國、韓國、歐洲、日本等主要國家和地區均積極加快5G建設，開展5G融合應用。5G產業的生態逐步豐富，應用探索不斷深入[1]。

1? 5G網絡帶來的變化

1.1 多頻段多制式

現今基站設備支持多種頻段，支持2G、3G、4G、5G多制式。為了避免資源浪費，存在一個基站由多家運營商共同使用的現象，且多數站點設備部署密集，所以基站很難再有大的改動。多頻多網的覆蓋性能差異大，改造和優化的難度增加，因此5G網絡的誕生也使站點的建設成為一大難題。所以4G網絡和5G網絡在未來很長一段時間依舊是共存狀態，發展到一定程度后，4G網絡將會融入5G網絡中。

1.2 基站建設

5G技術使用了高頻率，因此其傳輸距離大幅下降、覆蓋能力也相應減弱。此時需要大力建設基站，但宏基站的建設成本高，且宏基站建設密度已經到達一定的飽和，為了滿足容量增長的需求以及降低運營商成本，出現了層次化基站建設。基站分類為宏基站和小基站，小基站根據覆蓋范圍大小還分為微基站、皮基站、飛基站。多種基站互相配合，保證了網絡覆蓋的面積[3]。

1.3 5G運營成本

5G發展的建設金額是巨大的。由于5G核心網的建設，基站數量將增加，尤其是小微基站數量將激增，光纖量也將激增，同時站址費用會越來越高。這么多的中繼器和小基站單元導致站點建設和站點租賃成為運營商運營成本的一大負擔。而新建站點又面臨站點獲取難、投資成本高、建設周期長等諸多問題。在不新建站點的情況下實現5G網絡設備的部署，并降低多網共存場景下的運維成本是一難題。此外，5G發展還涉及大量小微基站、光傳輸、核心網、多接入邊緣計算等新技術的發展，這些復雜技術的投資研發也讓運營商的運營支出不斷攀升，支出占比多達利潤的70%。預計中國5G投資周期10年，總投資金額達到1.6萬億[4]。

1.4 5G的不同業務需求

人工智能、物聯網、大數據、云計算等概念的提出，使得全球有一場關于科技的革命和換代，比如在無人駕駛、AI、實時游戲、虛擬現實，醫療，煤礦開采等不同的業務[6-9]。但不同的業務對5G的技術要求都是不同的。例如傳感器對時延的要求達到1000ms，速率要求達到1Mbps;而無人駕駛車，其時延要求達到小于1ms，速率要求達到10Mbps。

1.5 端到端的網絡云化

網絡實行智能化重構，網絡彈性部署、快速配置，而基礎設施照舊，網絡資源、存儲資源、帶寬資源這些資源，通過云管理平臺、控制器以及網絡功能虛擬化來支撐不同的應用，從而網絡云化[6]。5G網絡云化后，從而能夠對網絡進行更好的運維管理，更好更合理地調動網絡資源。云化使得人類邁向智能網絡，實現對網絡的智能處理。在未來，全云化將會逐步實現，所有的網絡功能和業務應用都能云上進行。

1.6 5G對人才的新需求

5G的發展意味著技術的革命和創新，帶來新的經濟熱潮，創造出大量新興崗位。到2035年，全球5G價值鏈將創造3.5萬億美元的產出，創造2200萬個工作崗位，這已經超過了當下整個移動價值鏈的價值，從這可以看到5G對于人才需求、對世界帶來的影響將是顛覆性的[10]。5G崗位的空白可以從網絡規劃設計、設備部署維護、業務編排、自動化運維、業務體驗與優化、用戶體驗分析等崗位的人才稀缺體現。5G行業為人們就業帶來新的市場熱潮。

2? 5G的技術層析

2.1 復雜組網

5G網絡的部署需要無線接入網和核心網，其中無線接入網主要由基站組成。由于網絡部署投資巨大，不同于以往2G、3G、4G網絡核心網與接入網一體的演進，5G時代則分成核心網、基站兩塊。組網方案有SA（獨立組網）和NSA（非獨立組網）兩種，SA只采用5G基站來提供5G網絡信號，因此建設成本很高;NSA通過整合5G基站和4G基站的方式，來提供5G信號的支持，基站建設的投入小，因此很多國家采用NSA組網建設5G[2]。

2.2 5G傳播模型

3GPP組織針對5G移動網絡通信推出了5G標準協議38.901，其中提到包括城區微站（UMi）、城區宏站（UMa）、農村（RMa）和室內熱點（InH）的四種無限傳播模型，每種場景又分為LOS（視距）和NLOS（非視距）兩種情況：無線信號在傳播過程中如果中間無阻擋，可以視為直線傳播，也就是LOS場景;在實際環境中由于受到障礙物的影響，無線信號從發射端到接收端無法直線傳播的情況，稱為NLOS場景。

5G網絡在應用過程中具有較高的頻率，而如今的傳播模型眾多，因此必須結合5G的傳播特性及傳播過程中的媒介、環境等特征，合理地選擇傳播模型，以保證其信號的穩定傳輸[8]。以下僅介紹在前三種模型的NLOS（非視距）場景下的情況，如表1所示。其中主要參數含義：h為平均建筑高度;W為街道寬度;hUT為終端高度;hBS為基站高度。

值得提到的是，COST231-Hata也是一種在預測無線電波路徑損耗方面具有較高準確度且使用非常廣泛的模型，其計算公式為：。其中hB為發射天線有效高度，hr為接收天線有效高度，α（hr）為接收天線高度修正因子，Cm為傳播環境校正因子。在密集大城市時，校正因子計算公式為;在郊區或密集程度不高的城市校正因子計算公式為。

對比UMa模型和cost231模型的公式可以看出，UMa模型定義了街道寬度數值以及建筑物平均高度，可變參數的增多使得模型的應用場景更加豐富[11]。

2.3 5G幀結構設計

即使到了5G網絡時代，無線幀和子幀的長度還是和4G保持一致，這是為了使得4G和5G間共存以及方便部署。不過，5G相對于4G有著靈活的子架構。4G子幀固定為1ms，包含2個時隙，子載波間隔固定為15KHz;5G的子載波間隙則可以靈活擴展，這種靈活變化主要是為了使5G支持各種應用場景。

5G采用u（Numerologies）這個參數來表示載波間隔，由u值的不同，符號周期成比例變化，即隨著子載波間距的增大，時隙會變短。子載波間隔越大則會有更短的時隙，更能滿足低時延的需求[12]。

2.4 5G的覆蓋測量

4G網絡中，UE通過測量小區特定參考信號（CRS）獲得RSRP、RSRQ和SINR值;而在5G網絡中UE通過測量同步信號（SS）和信道狀態信息（CSI）獲得RSRP、RSSI、RSRQ和SINR數值。其中5G覆蓋類的關鍵指標主要還是RSRP和SINR，5G中RSRP/SINR分類如表2。

5G覆蓋的首要目標是保證區域內RSRP/SINR滿足建網標準，先優化SS RSRP/SCI-RSRP，后優化SS SINR/CSI-SINR。

2.5 大規模天線技術（Massive MIMO）

大規模天線技術（Massive MIMO）是5G網絡的關鍵。傳統的MIMO是2D-MIMO，采用單個寬波束進行覆蓋，實際的信號覆蓋時只能在水平方向移動，類似平面發射。大規模MIMO天線中運用波束形成技術，對天線賦形出不同方向的窄波束，使得從2D-MIMO發展為3D-MIMO，在水平維度上引入垂直維度，具備三維立體的覆蓋能力。

基站覆蓋范圍內多用戶在同時頻資源上同時通信，提升了頻譜資源的復用。同時，窄波束的集中輻射使得基站發射功率損耗減少，提升了能量效率。還有由于Massive MIMO天線數目多，系統的空間自由度高，因此具有很強的抗干擾能力。

總的來說，Massive MIMO有著高復用增益，高能量效率，好的抗干擾能力等優點，同時在解決高容量和多連接問題也起著很大的作用。

3? 結語

5G的發展不僅僅給普通群眾帶來深刻影響，甚至給全社會、全球都帶來一場熱浪，使民生、經濟、教育、軍事等領域都會有巨大的改變。

5G建設如火如荼，但是由于5G新技術還面臨著一定的問題，4G網絡仍然是當代大環境下的主流，未來的長期局面將是4G、5G協同共存。介于4G和5G技術的不同，本文著重對5G技術帶來的變化進行了析剖，介紹了5G網絡的全新特點。

參考文獻

[1] Ihsan H Abdulqadder，Shijie Zhou，Deqing Zou，Israa T. Aziz，Syed Muhammad Abrar Akber. Multi-layered intrusion detection and prevention in the SDN/NFV enabled cloud of 5G networks using AI-based defense mechanisms[J]. Computer Networks，2020，179.

[2] Leonardo Bonati，Michele Polese，Salvatore DOro，Stefano Basagni，Tommaso Melodia. Open， Programmable， and Virtualized 5G Networks： State-of-the-Art and the Road Ahead[J]. Computer Networks，2020，182.

[3] 王晟，周曉東，陳小倩，等.基于5G網絡的應急通信超密集組網技術研究[J].電子設計工程，2020，28（18）：80-84.

[4] 王海龍，余智明.5G移動通信組網模式及關鍵技術研究[J].通訊世界，2019，26（10）：159-160.

[5] 劉明，張治中，程方.5G與Wi-Fi融合組網需求分析及關鍵技術研究[J].電信科學，2014，30（8）：99-105.

[6] 王君，何新宇，蒲磊，等.淺析5G的現狀發展和前景趨勢[J].科學技術創新，2020（19）：73-74.

[7] 王國法， 趙國瑞， 胡亞輝. 5G技術在煤礦智能化中的應用展望[J]. 煤炭學報， 2020， 45（1）：16-23.

[8] 田偉. 5G技術應用于遠程醫療的探索與展望[J]. 中華外科雜志， 2020，58（1）：1-4.

[9] 張長青.5G系統定義的幀結構分析[J].郵電設計技術，2019（6）：42-46.

[10] 李繼蕊， 李小勇， 高云全. 5G網絡下移動云計算節能措施研究[J]. 計算機學報， 2017（7）.

[11] 陳曉婷，程麗紅，王佳鑫.基于5G網絡的無人機信息傳輸[J].電子制作，2020（18）：10-11.

[12] 唐倫， 周鈺， 譚頎. 基于強化學習的5G網絡切片虛擬網絡功能遷移算法[J]. 電子與信息學報， 2020， 42（3）.