5G技术的发展和应用

信息与通信技术前沿信息与通信技术前沿课程论文学院：专业：姓名：班级：学号：年月日25G技术的发展及应用摘要：在信息快速发展的21世纪，通信技术的发展为数据的流通提供了切实的保障。伴随着技术不断取得突破、美国对中国华为等通信公司的制裁，5G通信技术再一次成为人们街头巷尾热议的话题。本论文通过搜集网络、信息与通信技术前沿课程资料，对5G技术的研究背景与意义、5G研究现状及面临的挑战、关键词：5G；通信技术；5G应用；华为；备注：部分学术资料来源于课堂及参考文献。一、研究背景与研究意义随着信息社会的不断进步，网络化技术实现了飞速的发展，越来越多的人们开始注重通信技术的发展。并且伴随着人工智能、大数据研究的不断深入、信息通信频谱资源不断日趋枯竭，产生了同时同频的大批量数据传输服务需求，推动信息通信技术不断向前发展，第5代移动通信技术应运而生。5G技术的出现必将引起新一轮的网络热潮，其不仅能在速率上满足消费者的需求，同时也能在效率上达到更高水平的要求；从1G美国主导中国空白，到2G通信标准GSM由欧洲制定，到3G技术由欧洲研发，中国拥有自主产权的CDMA通信技术，到4G中美合作研发，再到5G技术中国独立研发，将其放之于通信这一国脉所系的事业来看，更是代表现阶段一个国家的通信技术发展的最高水平，为国家信息安全提供切实保障。二、国内外研究现状分析及面临的挑战2012年欧盟正式启动METIS（mobileandwirelesscommunicationenablesforthe2020informationsociety）,进行5G通信系统的研究。除METIS外，欧盟启动了规模更大的科研项目5G-PPP，旨在加速欧盟5G研究和创新，确立欧盟在5G领域的主导地位;英国政府联合多家企业在Surrey大学成立5G研发中心，致力于5G的研究；[1]2016年7月，美国正式开始规划5G频段；2016年11月，欧盟发布5G频谱战略；2018年初，韩国开展5G预商用实验频段；2016年7月日本总务省发布5G频谱策略，支持2020年东京冬奥会；2017年6月中国工信部就5G低频段规划公开征求意见，就毫米波段规划使用于5G公开征集意见。35G关键技术包括：大规模天线、超密集组网、新型多址、全频谱接入、新型多载波、先进调制编码、灵活双工、全双工、D2D、频谱共享等技术。如何使通信网络在频谱有限、物理器件跟新速度满足不了系统设计需求的情况下满足日益增加的数据传输需要成为5G技术所要解决的重中之重。三、理论基础、关键技术及方法5G技术中有一个重要公式：Csum⇔∑∑𝐵𝑖log2(1+𝑃𝑖𝐼𝑖+𝑁𝑖)𝐶ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙𝑠𝐶𝑒𝑙𝑙𝑠1该公式的基础为著名的香农公式，此公式对其进行了求和操作。通过公式我们可以看出，为了增大Csum的值，可以进行的操作有：增加覆盖，对应技术为覆盖增强技术，包括超密异构组网、D2D（devicetodevice）、M2M（mechinetomechine）；增加信道，对应技术为频效提升技术，包括使用大规模天线、FBMC（滤波器组多载波）、空间调制技术；增加带宽，对应技术为频谱拓展技术，包括认知无线电、毫米波、可见光；增加SINR（SignaltoInterferenceplusNoiseRatio），对应能效提升技术，包括：绿色通信、干扰管理等。除此之外，涉及到的问题还包括多址技术、用户调度、资源分配、情感感知技术、用户/网络协作、5G组网技术路线采用独立组网还是非独立组网等。四、具体研究内容和过程下面就几个具体的技术进行简单的分析。（一）超密集异构组网技术[2]（以下学术资料来源于参考文献）5G超密集组网技术有宏基站+微基站及微基站+微基站两种模式，两种模式通过不同的方式实现干扰与资源的调度。宏基站+微基站部署模式：在此模式下，在业务层面，由宏基站负责低速率、高移动性类业务的传输，微基站主要承担高带宽业务。其中，宏基站负责覆盖以及微基站间资源协同管理，微基站负责容量的方式，实现接入网根据业务发展需求以及分布特性灵活部署微基站，从而实现宏基站+微基站模式下控制与承载的分离。通过控制与承载的分离技术，可以实现5G超密集组网的覆盖和容量的单独优化设计，解决密集组网环境下的频繁切换问题，提升用户体验感，提升资源利用效率。微基站+微基站部署模式：5G超密集组网微基站+微基站模式未引入宏基站这一网络单元，为了能够在微基站+微基站覆盖模式下，实现类似于宏基站+4微基站模式下宏基站的资源协调功能，需要由微基站组成的密集网络构建一个虚拟宏小区。虚拟宏小区的构建，需要簇内多个微基站共享部分资源（包括信号、信道、载波等），此时同一簇内的微基站通过在此相同的资源上进行控制面承载的传输，以达到虚拟宏小区的目的。同时，各个微基站在其剩余资源上单独进行用户面数据的传输，从而实现5G超密集组网场景下控制面与数据面的分离。在低网络负载时，分簇化管理微基站，由同一簇内的微基站组成虚拟宏基站，发送相同的数据。在此情况下，终端可获得接收分集增益，提升了接收信号质量。当高网络负载时，则每个微基站分别为独立的小区，发送各自的数据信息，实现了小区分裂，从而提升了网络容量。（二）大规模天线技术[3]（以下学术资料来源于参考文献）如图1所示，展示一种5G大规模天线系统架构，包括密集辐射阵、功分网络、耦合校准网络、盲插型连接器和收发单元。密集辐射阵由若干双极化辐射单元按照一定的横向间距和纵向间距组阵。为减低密集组阵的互藕影响，提升各射频通道的方向图一致性和端口隔离度，密集辐射阵中设计有去耦装置。功分网络将每个单元模块包含的一组若干辐射单元进行激励和幅相配置，每组功分网络激励的辐射单元个数、辐射单元间距决定了单元模块增益。图一5G大规模天线系统架构图射频通道包括单元模块、功分网络和盲插型连接器。在射频通道数确定的情况下，单元模块的增益，单元模块之间的横、纵向间距决定了大规模天线整机的5增益。耦合校准网络由多路耦合度一致的定向耦合器多级功分合路构成，每一组定向耦合器对应一组射频通道，实现对该射频通道的幅相信息进行精确检测。耦合校准的网络的作用就是对收发单元发送到每个射频通道的信号源幅相信息进行监控，如某个通道的幅相检测值偏离了预设值，则通过系统算法重新调整收发单元的发射功率和相位。这样，整个5G天线系统的工作原理就是，天线射频通道（包括多个辐射单元组成的单元模块）实现无线传输信号的收发；收发单元实现对射频通道RF信号发射和接受；耦合校准网络实现对收发单元发射到每个射频通道的发射功率和相位的监测；这样，系统赋型算法通过调节收发单元激励到每个单元模块（射频通道）的幅相权值配置实现大规模天线的精准3维波束方向图和3维扫描。要实现上述5G大规模天线功能，需对其各结构组成部分的性能指标进行精确设计。（三）情感感知技术[1]（以下学术资料来源于参考文献）随着海量设备的增长，未来的5G网络不仅承载人与人之间的通信，而且还要承载人与物之间以及物与物之间的通信，既可支撑大量终端，又使个性化、定制化的应用成为常态。情境感知技术能够让未来5G网络主动、智能、及时地向用户推送所需的信息。图二软件定义无线网络架构6情境感知(contextawareness)技术源于所谓普适计算(ubiquitouscomputing)的研究，最早由Schilit于1994年提出，它如下特性，如:适应性、前瞻性、及时性、情景敏感性等，这是一种崭新的计算形式。情境感知技术是一个信息系统，采用传感器或无线通信等相关技术，使计算机设备、PDA、智能手机等设备具备感知当前情景的能力，并通过这些设备分析和确定可获得的情境信息，如用户当前位置、时间、附近的人和设备以及用户行为，主动为用户提供可靠的、合适的服务。情境感知技术使未来的移动互联网会主动、智能、及时地把最相关的信息推送给用户，而不是由用户主动向移动互联网发起信息请求，然后由用户在信息的“海洋”中苦苦地选择自己感兴趣的内容。伴随着人工智能、深度神经网络、大数据的发展，已经让情感感知技术的实现变成了现实。但是，从网络安全的角度考虑，如何保障用户隐私不被泄露，切实保护用户合法权益等问题仍有待解决。五、研究结果与分析/实际应用情况5G主要有三大应用场景：一是增强移动宽带，其峰值速率将是4G宽带的10倍以上；二是海量机器通信，将实现从消费到生产的全环节、从人到物的全场景覆盖，即“万物互联”；三是超高可靠低时延通信，通信响应速度将降至毫秒级，这将会使智能自动驾驶汽车探测到障碍物后的响应速度比人的反应更快，将助推自动驾驶汽车从实验室开到路上。现如今中国许多城市开通了5G试验性布局。以上海、重庆为例。上海市政府早在2016年9月21日就与中国移动通信集团公司在沪签署共同推进“互联网+”战略合作框架协议。“十三五”期间，中国移动计划在沪投入260亿元，着力构建新一代网络与信息基础设施，建成全国领先的4G+精品网络，并计划2018年在国内率先开展5G试点。光纤接入覆盖900万户家庭和8300幢重点商业楼宇。在上海临港率先建成中国移动国际海光缆登录局，助力上海确立国际通信枢纽地位，建成具备5亿规模“物”连接能力的、覆盖上海市的新型物联专网，在临港地区推进20万平方米绿色云数据中心建设。[4]重庆首张5G试验网于2018年5月23日正式开通，据中国移动重庆公司相关负责人介绍，重庆移动5G实验网络将率先在重庆两江地区开通，后续将逐步扩大覆盖范围。重庆移动将持续加大通信设备、配套设施及研发费用方面的投资7力度，大力开展5G基础设施组网建设，建成一张重庆地区全覆盖的5G网络。[5]而在5G发展中部分高校也承担了相应的研发与实验工作。[6]北京邮电大学公告称，西土城校区已经实现了5G信号全覆盖，本次5G场景实验组网使用了3.5GHz频率NR（接入网）覆盖校园46万平方米，北至师大北路，南至学院南路，西至西土城路，东至杏坛路。实验网采用NSA（非独立组网）架构，5G基站（gNB）采用100M宽带使用频率636666，与现网20M宽带使用频点1650的LTE基站（eNB）共站部署。5G基站接入锚点为现网4G基站1650频点。实验结果如图三所示：图三北京邮电大学西土城校区5G试验网络测试情况同样，作为国内通信行业的翘楚、国际信息通信的领军企业华为，在5G领域的研究也颇受瞩目。在受到美国制裁的情况下，依旧与西班牙、乌克兰、奥地利、德国、意大利、法国、瑞士、英国，土耳其、俄罗斯、马耳他、摩纳哥、拉托维亚、葡萄牙、黎巴嫩，阿联酋，阿曼，科威特、中国（包括中国香港）、印尼、巴西等国家签署了商业合作协议。[7]当地时间2019年5月30日，英国68城部分地区率先应用华为5G通信设备，启动商用5G服务，BBC新闻网闻讯派出记者团，抢先完成英国国内首个5G新闻直播，称这是“历史性一刻”。[8]六、未来展望/结束语1G我们还没睡醒，2G我们是追赶人家，3G我们开始突破，4G并跑，现在我们希望5G是引领。5G是无线移动通信只能化的开始，是ICDT（信息业、通信业、数据科技业）的融合，我们希望B5G（beyond5G）通信技术将与虚拟化、云计算、大数据、人工智能等技术深度结合和融合，进而实现更加精准的资源配置、更加弹性的网络优化、更加智能的信息服务；由面到体，不断提高通信速率，拓展通信空间，完善通信智慧；立足陆地通信，扩展到陆海空全方位立体化融合无线网络；从简单的面向人的通信向机器自主通信发展，网络生态变化，需研究面向信息连接的泛在智慧无线网络，实现信息速度、信息广度、信息深度的全方位突破，完美应对信息社会高速发展的趋势，为中华民族伟大复兴、人类的不断进步提供切实保障。参考文献[1]5G移动通信网络关键技术综述重庆邮电大学学报赵国峰，陈婧，韩远兵，徐川2015-8[2]5G关键技术之超密集组网（UDN）百家号5G知识分享2019-1-16[3]5G大规模天线系统架构探讨微信公众号：微波射频网2018-11-23[4]上海：2018年将在国内率先开展5G试点中国政府网2016-9-21[5]重庆首张