5G通信關鍵技術應用與研究

中國移動通信集團內蒙古有限公司 司春波 趙志強 李曉勇 米 凱 康 珺

5G是當前應用和研發最為先進的移動通信技術，也是移動互聯網和物聯網發展的重要支撐，能夠有效的支撐8K高清視頻、虛擬現實、移動云服務、工業互聯網、車聯網等應用，具有更低延遲、更高帶寬等特性，具有非常廣泛的應用意義。5G移動通信的組網模式包括兩種，分別是NSA（Non-Standalone）模式和SA（Standalone）模式，NSA是基于4G核心網的過度組網模式，僅支持超移動寬帶業務，不能實現全部的5G特性。SA是5G通信的標準組網模式，基于5G基站、5G核心網和5G核心技術，滿足5G業務的不同應用需求。SA組網模式采用服務化架構，以云化為基礎，支持網絡切片、分布式部署和邊緣計算等特性，5G通信的SA組網架構如圖1所示。

圖1 基于SA的5G組網架構

5G網絡架構包括核心網5GC和無線接入網NG-RAN兩個部分，核心網5GC包括三個功能性邏輯網元，分布式UPF（用戶平面功能）、SMF（會話管理功能）和AMF（接入和移動性管理功能），5G接入網包括兩種網元，分布式gNB和ng-eNB，gNB提供NR用戶平面和控制平面的功能及協議，ng-eNB則提供E-UTRA用戶平面和控制平面的功能及協議，NG屬于無線接入網和核心網的接口，Xn屬于無線網節點之間的接口。

1 5G通信關鍵技術分析

1.1 大規模MIMO技術

5G通信技術為了提高通信傳輸能力，采取了大規模MIMO技術，該技術能夠提升5G網絡的信息收發能力，降低數據傳輸時延，滿足車聯網、工業控制網絡的實時性和高可靠性。大規模MIMO技術具有很多的先進優勢，比如，該技術在頻譜寬度固定不變的情況下，基于虛擬化技術可以提升5G信道的容量，利用分時傳輸和復用的基本園林，提高物理信道的利用率，降低傳統通信資源頻譜資源浪費的問題，減少5G通信網絡運行的成本，還可以提高系統的通信傳輸的可靠性。大規模MIMO技術基于先進的有源天線單一技術針對其進行編碼，可以動態的在垂直方向實現發射信號的波束賦形，提高有源天線的數據傳輸速度，避免數據傳輸發生錯誤和提高通信質量，并且一定程度上還可以提高5G信號覆蓋范圍，減少基站的建設數量和健身成本。

1.2 超密集組網技術

超密集組網技術可以增加5G通信基站的單位數量，尤其是利用小型通信基站提高數據傳輸的頻率復用，形成一個完整的數據傳輸機制。超密集組網技術經過研究和改進，誕生了無限物理技術和虛擬層技術。無限物理技術可以有效的提高5G網絡的頻譜帶寬使用效果，加強通信網絡的熱點強度，擴大信號覆蓋范圍，有效擴充5G網絡通信容量，滿足熱點應用場景的通信需求。虛擬層技術可以更多的優化網絡層面，基于單層的實體通信實現多層網絡傳輸功能。超密集組網還可以以宏基站為平臺，在虛擬層技術的支持下，構建一個虛擬的網絡體系，實現數據的高效傳輸，實體基站負責實體層的通信數據管理，虛擬層可以加強網絡的動態管控，根據用戶的實際需求分配通信資源，最優化的利用通信帶寬資源，避免通信傳輸效果不佳。

1.3 邊緣計算技術

邊緣計算是5G通信的重要應用技術之一，其可以為5G通信網絡應用提供一個邊緣計算和存儲單一，這就可以加快5G通信數據的處理速度。一般地，無線網絡組成的結構非常復雜，運行與計算過程也非常繁瑣，需要將數據從基站傳輸到服務器，以便能夠提供給業務平臺進行加工處理和路由轉發，此時無線網用戶才可以下載數據，這個過程需要耗費較多的時間，也存在很大的數據延遲，因此不能夠為車聯網、工業控制網提供技術支持。因此，5G網絡為了滿足萬物互聯且時延小的需求，采用了邊緣計算技術，該計算模式能夠為每一個用戶提供電信級的通信服務，并且利用云計算等特點，實現無線數據存儲的本地化，從而可以加快數據傳輸，并且能夠降低數據處理時延。邊緣計算可以充分的讓5G網絡發揮自有性，比如帶寬高、處理速度快等，減少5G核心網設備的數據存儲和轉發壓力。

2 5G通信關鍵技術應用場景研究

5G通信的目標是實現萬物互聯和移動互聯，關鍵技術應用場景包括超密集部署應用場景、機器之間通信應用場景、宏覆蓋增強應用場景和低延遲與高可靠應用場景。

2.1 超密集部署應用場景

目前，大型商業廣場、會議中心、高等院校、城市社區等多屬于人口較為密集的場所，這些場所通信需求量大。5G通信可以為這些場景提供超密集部署基站，提高用戶的通信傳輸速率，將數據傳輸速率維持在1G以上。超密集部署應用場景可以充分的結合大規模MIMO技術，將不同的應用場景需求劃分為三個種類，分別是宏小區、微小區以及毫微小區，每一種小區的網絡架構都具有獨特的特點，提現了5G組網的多樣性和異構性。

2.2 機器之間的通信應用場景

5G通信可以實現萬物互聯，尤其是物與物之間的通信互聯，比如物聯網、工業控制網、環境監測網等，這些設備終端都可以采用5G通信技術，基于射頻傳播等實現數據端到端的收發，滿足機器之間的通信傳輸功能。機器之間的通信傳輸涉及到的5G應用技術非常多，比如有控制信令優化技術、非正交傳輸技術以及窄帶傳輸技術，不僅可以擴大物聯網通信范圍，還可以提高設備控制水平。

2.3 宏覆蓋增強應用場景

宏小區的面積通常比較大，覆蓋半徑長達千米，因此不同的用戶距離基站長度不同，數據傳輸的損益也不同，信噪比差別更大，5G通信傳輸則利用大規模天線技術，構建一個非正交傳輸技術和新型的調制編碼技術，產生的總增益量可以有效的疊加在一起，有效的提高信號的覆蓋范圍。同時，5G通信還可以充分的利用微基站的部署水平，在一個小微范圍內實現基站的部署，加強數據的通信傳輸和應用。

2.4 低延遲與高可靠應用場景

5G的峰值速率同4G技術相比起來，存在著從1Gbps到2Gbps的大幅提升，5G的網絡時間延遲降低了十分之一，在移動性、連接密度和網絡能量效率方面都有著質變的改善，5G的用戶體驗速率比起4G的用戶體驗速率，也從10Mbps提高到了100Mbps，因此5G通信在低延時與高可靠的應用場景發揮著不同的作用。比如，工業控制網絡在制造和加工精密機械時，每一個加工和制造指令都可能影響機械的精密程度，因此為了保證指令能夠得到快速處理和執行，就需要降低數據傳輸延遲，確保執行設備接受指令進行加工。智能駕駛是車聯網發展的重要方向，如果車聯網存在較大的時延，就會導致高速行駛的汽車發生安全事故，因此5G網絡可以為車聯網和工業控制網絡提供一個較低的時延，能夠利用邊緣計算技術，加快數據傳輸的速度，提高執行設備的操作靈活性和實時性，比如加工機械或汽車，確保5G應用的安全可靠。

結束語：5G通信是移動互聯網和物聯網實現的關鍵技術，經過多年的研究和發展，已經在很多領域得到廣泛應用，引入的關鍵技術也非常多，比如大規模MIMO技術、超密集組網技術和邊緣計算技術等，這些技術可以有效的支持5G通信傳輸速率，能夠創新現代社會生活和科學技術發展，實現車聯網、工業控制、環境監測等，進一步提高了互聯網的應用水平。