5G技术发展现状及未来的应用

·5G技术发展及其在广电的应用专题·

技术前沿5G技术发展现状及未来的应用

张凯峰 彭鑫 烽火通信科技股份有限公司

摘要：5G时代已悄然来到，本文简单阐述了移动通信系统的历史以及5G的技术特点，5G的高速率、低时延，万物万联的特点将衍生出未来众多新的业务，将带给未来通信行业巨大的市场机会。关键词：毫米波 微基站 MIMO1 移动通信技术发展历程移动通信系统的进步可以追溯到早期的“0G”服务，小说预见了现实世界移动电话的发展，早在1906年英国漫画家在一本题为“预言1907”的杂志上刊登了一幅漫画，在伦敦海德公园展示了人们通过无线电话设备上进行赌博和约会；而真正将无线电电话应用于现实的确是通过战争，第二次世界大战时期军人们在行动时通过无线电话系统彼此通话。1946年美国AT&T提供了移动电话服务，但仅能在某些城市地区提供很小的覆盖面积和少数几个可用的频率进行移动电话服务。二十世纪六十年代蜂窝系统的概念和理论由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。

使用自动模拟蜂窝系统进行部署全球第一个商用无线通信网络，欧洲的模拟移动通信系统采用了不同的技术，1981年9月北欧瑞典开通NMT系统。英国开通的TACS系统，德国开通C-450系统等；美洲广泛部署的第一个模拟蜂窝系统是AMPS系统，也是当时运营时间最长的模拟移动蜂窝通信技术。

在20世纪90年代，出现了第二代移动通信系统。欧洲制定的GSM标准和美国开发的CDMA标准争夺全球市场的霸权。第二代移动通信系统不同于上一代，通过使用数字信号代替模拟信号传输，采用网络信令管理通话。2G时代的到来使得手机使用频率进行巨大的提升。1991年第一个GSM网络在芬兰启动。在欧洲的1G和2G系统中使用900 MHz的频率范围，因此1G系统被快速关闭以腾出空间用于2G系统。第二代移动通信系统引入了

正在增长。此外，固网宽带的数据表明，用户对更大的数据传输速度也有不断增长的需求。而2G技术远远不能胜任这项工作，因此业界开始致力于下一代3G技术的研究。3G技术与2G技术的区别主要在于使用分组交换而不是电路交换来进行数据传输。此外，在标准化过程中不可避免地，导致了许多标准出台，不同的竞争者推动他们自己的技术。第一个商用3G网络是由NTT DoCOMO在2001年10月1日使用WCDMA技术推出的。2002年，韩国的SK电信和KTF采用CDMA2000 1xEV-DO技术作为3G网络进行部署。到2002年底，第二个WCDMA网络由沃达丰在日本推出。欧洲在3G技术的选择也倾向了WCDMA，意大利和英国均采用该技术进行部署。中国在3G时代进行了发力，推出TD-SCDMA，该技术为中国自主研发并获得了ITU-T的接受，与

一种新的通信方式，称为SMS或短信。WCDMA、CDMA2000并称为3G的三

随着2G手机的使用越来越广泛，人们开始在日常生活中使用手机，用户对数据的需求（浏览移动互联网）

大主流技术标准。

到2009年，随着流媒体业务的发展，3G网络将被带宽密集型应用的增1.1 从模拟到数字

1979年在日本东京NTT公司首次

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技术·5G技术发展及其在广电的应用专题·前沿长所淹没。因此，业界开始寻找数据优们接近2020，5G的视觉变得越来越清化的第四代技术，并要求在现有3G技晰。大多数专家表示，5G将以20Gbps术的基础上，将数据业务速度提高到或更高的速度快速地出现网络速度，10倍。4G技术主要围绕WiMAX标准并且延迟时间仅为毫秒。人们不仅会（IEEE 802.16）和LTE标准两个方向互相联系，而且机器、汽车、城市基发展，WiMAX（IEEE 802.16-2005）移础设施、公共安全等等也会互相联系。动无线宽带接入标准，在20MHz宽信5G可能会被设计为建立在现有LTE网道上提供128Mbps下行链路和56Mbps络上，并且许多特性将作为LTE高级上行链路的峰值数据速率；4G LTE技PRO标准的一部分开始使用。其中一术是目前4G应用最广的技术，LTE在些特性包括载波聚合，这使得运营商下行链路中具有高达100Mbps的理论能够更有效地使用现有频谱，并且还净比特率容量，并且如果使用20MHz增加了网络容量。载波聚合也将允许信道，则在上行链路中具有50Mps，如无线运营商增加用户吞吐量率。

果使用多输入多输出（MIMO），即天2 5G关键技术线阵列，则能提供更高的速率。5G技术的突破性创新将使未来的1.2 5G时代

网络达到前所未有的速度，接近有线5G代表了新一代的移动网络，具延迟，具有统一QoE的无所不在的连有极低延迟到超高带宽以及广泛连接接性，以及支持大量设备同时连接的等特点。5G技术标准化制定仍在进行能力，所有这些工作齐心协力为用户中，国际电信联盟（ITU）将是发布最提供沉浸式体验。未来的5G系统通过终标准的标准机构，该标准也被称为引入毫米波系统、高密度微基站、先国际移动通信（IMT）-2020。随着我

进MIMO和D2D等新技术实现了大规

图1 移动通信的技术演进图

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《有线电视技术》 2018年第7期 总第343期

模提升无线通信系统网络容量。

2.1 毫米波

3GPP为5G定义的空中接口被称为新无线电，并且该规范被细分为两个频段FR1（＜6GHz）和FR2（毫米波），每个都具有不同的能力，频率范围1（＜6GHz）为FR1定义的最大信道带宽是100MHz。从3GPP版本10开始，LTE支持100MHz载波聚合（5×20MHz信道）频率范围2（24~86GHz），为FR2定义的最大信道带宽是400MHz，在3GPP版本15中支持两个信道聚合。此配置可支持的最大PHY速率约为40Gbps。

2.2 MIMO矩阵

MIMI矩阵应用于6GHz和毫米波的频段上可以增强覆盖及降低功耗，从2×2提高到了目前4×4MIMO。更多的天线也意味着占用更多的空间，要在空间有限的设备中容纳进更多天线显然不现实，只能在基站端叠加更多MIMO。MIMO矩阵使用大量的天线和多用户MIMO（MU-MIMO）来增加扇区吞吐量和容量密度。每个天线被单独控制，并且可以嵌入无线收发组件。

2.3 微基站

5G网络是一个超复杂的网络，在2G时代，几万个基站就可以做全国的网络覆盖，但是到了4G中国的网络超过500万个。而5G需要做到每平方公里支持100万个设备，这个网络必须非常密集，需要大量的小基站来进行支撑。5G系统期望利用更高的频率来利用毫米波频带中的巨大带宽。因此，毫米波的相当高的传播损耗使得它适

合于密集的小单元部署，从而导致更

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技术前沿图2 5G的超高速率

高的空间重用。本原则——将真正实现物联网服务，2.4 D2D

反过来，它将通过几乎所有的连接来设备到设备通信是一种基于蜂窝深刻地改变人类的生活。

系统的近距离数据直接传输技术。它3.1 增强型移动宽带

可以提高频谱效率并减少5G的端到端5G时代将迎来高速移动带宽的连延迟。D2D设备可以在不依赖蜂窝网接，从目前的百兆级到达千兆级别，络的情况下，在彼此接近的情况下直

其理论峰值速度甚至可以超过目前使

接彼此通信。蜂窝网络引入D2D通信，用的家用宽带，当移动带宽速度达到可以减轻基站负担，降低端到端的传GE级别时，高清4K视频、VR/AR/虚输时延，提升频谱效率，降低终端发拟现实/增强现实等技术将得到大力射功率。通过这种方式，高级D2D通推进。每秒数千兆比特的速度将支持信与IoT服务很好地对齐, 在没有蜂窝计算密集型的AR/VR用户交互，这一基站的情况下家用电器相互通信，用技术可以被用于远程教学、远程医疗，于家庭自动化服务。邻近区域中的许增强移动宽带还可以在很多行业中实多对象可以彼此连接，从而可以完成现资源的跨地区交流，譬如医疗机构IoT服务。

可以实现远程会诊、远程阅片，甚至3 5G的应用通过手术机器人实现远程手术。

3.2 泛连接

未来的设备将能够保持网络连通5G时代的到来，给万物万联提供性，而不管时间和位置，并且能够在了技术保障，高密度的海量物联网可没有人为干预的情况下与其他设备通以帮助现代产业向更高级的智慧产业信。5G系统设计的基本结构是支持每升级；比如实现智能农业、智能工业、平方公里多达百万个的同时连接，使智能物流；智能农业意味着，可通过各种机器机器服务包括无线计量、移设置监控土壤湿度和化学成分的专业动支付和远程医疗。智能设备将在后传感器，实现自动灌溉、施肥等；智台自主地进行通信，并彼此共享信息。能物流则可以利用物物通信实现贵重这种无处不在的连接性是5G服务的基

物品的追踪。智能工业在数字工厂的

基础上，利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务；清楚掌握产销流程、提高生产过程中的可控性。通过5G的泛连接特性。

3.3 超高可靠和超低时延

超高可靠性和超低时延通信最具代表性的应用场景是车联网，车联网是借助信息通信技术来实现车内、车与人、车与车、车与路、车与云端服务平台全方位网络连接的综合服务; 5G的商用给LTE-V2X提供了更强大的性能和更多的可能性。与4G主要侧重人与人之间的通信不同，5G形成了端到端的生态系统，支持更低的延时（≤10ms），更高的可靠性（＞99.99%）以及更大的带宽（每平方公里可连接100万个终端）。而这些数据都意味着更高的安全性，车载导航的精确度也就大大提高，车载系统的渗透率和普及率也会得到提升。5G除了厘米级别的3D高精度定位地图下载的数据需求，还可以支持融合车载传感器信息的局部地图实时重构，以及危险态势建模与分析。4 结语5G将迎来革命性的一代移动通信，无论用户的位置如何，都提供高速数据通信。显著提高移动通信系统的系统容量和实时响应性，将为用户提供真正的沉浸式和丰富的体验式的生活变化服务。此外，大量的连接设备可以通过5G系统相互通信，这将成为行业新业务的种子。5G将扭转日益扩大的成本和收入差距，使运营商再次投资于创新的新服务，实现生产率和效率的提高。CATV

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