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5G技术演进及其行业应用前景

已有 4418 次阅读 2017-12-1 15:57 |系统分类:论文交流|关键词:学者


文/曾剑秋    毛瑛倩

       根据国际移动通信标准化组织3GPP发布的标准制定进程,全球移动通信产业将于2020年迈入第五代移动通信(简称“5G”)发展阶段。作为最新一代移动通信技术,5G致力于提供更高速率、更短时延、更大规模、更低功耗的网络,其安全性、覆盖性、灵活性和速度都会有极大提高。

  5G的演进与发展

  根据国际移动通信标准化组织3GPP发布的标准制定进程,全球移动通信产业将于2020年迈入第五代移动通信(简称“5G”)发展阶段。作为最新一代移动通信技术,5G致力于提供更高速率、更短时延、更大规模、更低功耗的网络,其安全性、覆盖性、灵活性和速度都会有极大提高。5G与智能终端、可穿戴设备和其他技术,如大数据、物联结合可产生更多新业务与服务,促进移动互联网与相关行业应用带来爆发式增长。5G与Wi-Fi实现融合,将充分发挥Wi-Fi的城域网功能并呈现广域网和城域网的完美融合。

  5G是4G的拓宽与提升,是多种无线通信技术的融合。其最大优势是更加快速拥有更高效率,且相比过去,它能应对的领域更宽。从信息通信技术发展与演进的轨迹分析,5G是面向2020年以后的新一代移动通信系统,是基于2G/3G/4G移动通信技术的平滑演进。鉴于目前5G移动通信技术在移动数据传输速度与稳定性方面的巨大优势,全球主要国家和地区的电信运营商纷纷启动研究和试商用计划。

  IMT(国际移动通信系统)在《5G愿景与需求白皮书》中提出,2020开始商业应用的5G将支持0.1~1Gbps的用户体验速率,每平方公里一百万的连接数密度,毫秒级的端到端时延,每平方公里数十Tbps的流量密度,每小时500Km以上的移动性和10Gbps的峰值速率。由此可见,5G需要具备比4G更高的性能。移动通信技术的六大关键性能指标包括流量密度、连接数密度、用户体验速率(指真实网络环境下用户可获得的最低传输速率)、端到端时延、移动性和用户峰值速率。其中,用户体验速率、连接数密度和时延是5G最基本的3个性能指标。从表1可看出5G时代峰值速率大幅提高,将实现20倍于4G的峰值速率。

  4G演进到5G能大幅度提升通信能力和效率,5G在能耗效率、频谱效率和成本效率方面相比4G优势明显。高频段的频谱资源能够在5G通信技术中与光载无线组网、有线和无线宽带技术融合等技术共同融合应用,能够给5G通信技术带来更加广泛的应用潜力。微基站与宏基站的融合以及同一基站下用户数据直接在手机间传递等将在技术上为5G应用带来极大方便与巨大价值。5G通信系统在无线网络的“软”配置可根据业务流量变化对网络资源进行及时调整,实现低耗能和低成本的目标。



  5G的行业应用

  移动网络是移动互联网和互联网应用的基础,目前,包括国内三大运营商在内,全球共有22家运营商公布了5G试商用计划。其中,亚太有9家运营商,欧洲有5家运营商,中东、北美各有3家运营商。中国在5G技术发展、应用过程中具有先入者或者引领者的机会。

  欧盟委员会发布了欧洲5G行动计划,提出将在2018年开始预商用测试,到2020年在每个成员国家至少选择一个主要城市完成5G部署,并在2025年之前完成主要公路和铁路的5G部署。在美国,AT&T和Verizon使用由诺基亚和爱立信制造的设备展示了最新5G传输速度的测试成果,达到了每秒传送14GB的高速。

  在我国,国务院发布总理签署的《关于进一步扩大和升级信息消费持续释放内需潜力的指导意见》,强调要加快第五代移动通信标准研究、技术试验和产业推进,力争2020年启动商用,这将推动我国5G产业链的迅速发展。

  国际电信联盟(ITU)定义5G将应用于增强型移动宽带(eMBB)、超高可靠与低延迟通信(uMTC)、大规模机器类通信(mMTC)三大类业务场景。在5G时代,通信关键能力指标将得到大幅提升,可同时满足移动互联网和物联网用户的多样化应用场景需求,全面支撑工业制造、医疗仪器、交通运输等多个垂直领域的差异化信息服务需求。依据5G的应用场景,5G的行业应用也可以分为移动互联网应用和物联网应用。

  5G在移动互联网的主要应用有以下三个方面。首先,5G可以提供极广覆盖率、高移动性的网络,将蜂窝覆盖范围扩展到更广的建筑物中,同时将支持更高效的数据传输,即对于大流量传输需求的地点保持流量不间断。在办公楼、工业园区、购物中心等大型场所,5G可以满足移动通信用户的基本连接需求,无论是处在覆盖中心还是处在覆盖边缘都可以被连续广域覆盖;能够在保证移动性和业务连续性的前提下,使处于静止或高速移动(高铁、地铁等)的用户都可以随时随地享受100Mbit/s以上的体验速率。其次,5G可以提供极高数据速率的移动网络,4K视频甚至是8K视频将能够流畅实时播放;视频360度直播或转播、通过AR/VR改善游戏体验、虚拟现实样板间看房等方便的服务、增强现实移动导览系统、增强现实体育赛事转播等解决方案的应用。另外,由于5G技术的普及将大大提高移动数据传输的速度,云计算技术也将会更好地被利用,生活、工作、娱乐将都有“云”的身影,极高的网络速率也意味着硬盘将被云盘所取代,随时随地可以将大文件上传到云端,5G将带来移动内容云端化。

  5G在物联网的应用将极大地拓展行业应用的空间。由于物联网应用对设备数量、数据规模、传输速率等要求较高,目前的3G、4G技术还不能有效支撑物联网数据传输,物联网大规模应用受到限制,5G技术将成为推动物联网发展的动力。优质的5G技术是未来物联网应用发展的标配。低成本、低能耗、低延迟、高可靠性的通信网络可支持长时间、大规模连接需求的物联网应用,5G网络同时具备在1平方公里范围内向超过100万台物联网设备提供每秒100MB平均传输速度的能力,可以保障车与车、车与路、车与其它障碍物的信息延时在1ms内,由此可见,无人驾驶的安全性将得到满足。不仅手机和电脑能联网,家电、门锁、监控摄像机、汽车、可穿戴设备,甚至老年人走失也可以快速找回。Wi-Fi是一种短程的无线传输技术,这项技术已经基本普及大部分的家庭和企业。但因为现在普遍使用只能覆盖一定区域的路由器,所以有范围局限,使用人数限制和距离限制的问题,网络信号强度相对较差。5G与Wi-Fi融合组网具有传统的单一方面技术所不具有的优势,最大优势是更快捷更安全。5G速率将至少是现阶段Wi-Fi的三倍,5G与Wi-Fi融合组网的应用范围将不仅包括现在网络所普遍覆盖的普通住宅区和企业办公区,还将覆盖到更加公共的区域,如街道校园等,还有一些对吞吐量要求较高的专业领域,如远程医疗和车载娱乐等。以广域网和城域网融合、微基站与宏基站融合的5G连接网络将实现真正的“万物互联”、“服务百姓”。

  发展与展望

  2016年,中兴通讯对5G高频和低频领域进行了关键技术验证,成为全球首家完成5G高频外场测试的企业。2016年11月,华为主推的Polar码被国际移动通信标准化组织3GPP最终确定为5G的eMBB场景的信道编码技术方案,Polar码最终能够胜出,佐证了中国通信业的崛起。此外,中国移动也成功牵头5G网络系统架构设计,也证明中国在通信领域的国际地位明显提升。

  在中国5G技术的发展与应用中,我们仍然需要胸怀祖国、放眼世界,既需要依托中国国情放手发展5G移动通信技术,又需要从战略上坚持合作共赢。

  一方面,中国5G的发展战略需要从竞争合作转向合作竞争,合力推动5G全球统一标准,争取让中国在5G发展过程中成为引领者。中国拥有全球最大的5G潜在市场,在推进全球统一标准的过程中具有优势。在5G技术尚未成熟、标准尚未完全确定的情况下,在以5G移动通信技术为中心的产业链上拥有关键技术能力、领先地位、创新能力的ICT企业应合作构建数字服务生态,共享行业联盟、产业联盟等资源,共同发展,积极贡献自己的最新研发成果,推进全球5G统一标准。

  另一方面,中国5G的发展与应用需要更多专业人才,企业和高校结合,培养、输送人才是推动5G持续发展的动力。5G移动网络通信技术与原来的通信技术相比,数据传输速率提升超过千倍,连接设备的数量也以百倍计的速度增加,要实现5G通信网络时代的到来,必须要解决技术研发、市场拓展等问题。因此企业和高校应结合起来,充分发挥高校人才的优势,对大学生的天赋潜力进行挖掘,选拔优秀的学生进行移动通信网络前沿技术的研发和优化。相关移动通信运营商以及其他垂直行业企业可以与高校建立合作关系,通过无线网络创新大赛、学术交流、实地参观、企业实习等方式对学生的计算能力、系统设计能力以及硬件实现能力进行综合的考察和评选,挖掘优秀的移动通信人才,为5G时代的到来和移动互联网、物联网应用提供必要的人才支撑。

  5G为移动通信技术的发展描绘了一个美好的蓝图。为了实现5G要求的超高频率效率、超低时延、超高连接数密度、超低能耗,中国仍然需要依据5G技术的演进规律加大研发力度,培养人才,拓展市场,推动5G通信技术发展,成为5G的领跑者。

  作者单位:北京邮电大学



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