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摘要：本文主要简述了5G的基本概念、5G 技术主要应对的挑战，以及探讨了新型网络架构和5G 通信的应用展望及技术实现。
关键词：5G；技术；应用
随着通信技术的不断发展和我国LTE 的正式商用，面向未来提供更高速率、更好用户体验的下一代无线通信技术（5G）已经成为了通信业界关注的重点领域。而随着我国ICT 产业的进一步融合，移动通信产业也将对我国经济社会的发展带来重要影响。纵观我国移动通信的发展，在经历了2G 追赶、3G 突破、4G 同台竞技之后，未来，在5G 研发上，有可能迎来我国通信产业一次全面赶超国外同行的重大契机。
一、5G 概述
5G 作为新一代无线移动通信网络，主要用于满足2020 年以后的移动通信需求。在高速发展的移动互联网和不断增长的物联网业务需求共同推动下，要求5G 具备低成本、低能耗、安全可靠的特点，同时传输速率提升10 到100 倍，峰值传输速率达到10 Gbit /s，端到端时延达到ms 级，连接设备密度增加10 到100 倍，流量密度提升1 000 倍，频谱效率提升5到10 倍，能够在500 km/h 的速度下保证用户体验。5G 将使信息通信突破时空限制，给用户带来极佳的交互体验；极大缩短人与物之间的距离，并快速地实现人与万物的互通互联。
二、5G 技术主要应对的挑战
5G 主要业务包括移动互联网及物联网业务应用。移动互联网的流类和会话类业务，由于超高清、3D 和浸入式显示方式的出现，用户体验速率对无线技术形成新的挑战，例如8K（3D）的无压缩视频传输速率可达100 Gb/s，经过百倍压缩后，也需要1 Gb/s。交互类业务也发展迅猛，如Juniper 公司预测2018 年增强现实用户达2 亿户，IDC 公司预测2017 年游戏下载量将占总下载量的40%。对交互类挑战最大的是交互的快速响应能力，要达到用户对时延基本无感知的使用体验。
传输类业务在采用云存储方式之后，大量数据需要在无线接口传送，用户希望能够达到与光纤可类比的接入体验，这无疑对传输速率也提出了挑战。在消息类业务中，OTT 消息类业务将逐步成为主导性应用，其大量数据包频发消耗信令资源问题迫切需要解决。
物联网采集类业务以海量连接数量的激增对无线技术形成挑战，而控制类业务中，如车联网、自动控制等时延敏感业务要求时延低至毫秒量级，且需要保证高可靠性。哪些场景及业务应用是现有4G技术无法实现，而需要在5G 阶段重点解决的？5G 技术需要达到的技术指标数值是多少？这里，我们选择了办公室、密集住宅区、快速路、体育场等多种典型场景并结合视频播放、增强现实、OTT 消息、车联网等多种典型应用进行综合分析，设定每种场景下典型的业务应用类别，确定业务模
型和用户模型，计算出受限的技术指标值。经过每种场景的分析，在一些场景下，无线技术成为瓶颈，存在挑战的主要场景存在于密集住宅区的用户体验速率、办公室场景下的高流量密度、地铁场景下的连接数密度、高铁环境的高速移动性等指标。
经过分析，我们认为5G 与4G 相比较，需满足以下关键技术指标：
•传输速率提高10～100 倍，用户体验速率0.1～1 Gb/s，用户峰值速率可达10 Gb/s。
•时延降低5～10 倍，达到毫秒量级。
•连接设备密度提升10～100倍，达到每平方公里数百万个。
•流量密度100～1 000 倍提升，达到每平方公里每秒数十太比特。
•移动性达到500 km/h 以上，实现高铁环境下的良好用户体验。
此外，能耗效率、频谱效率及峰值速率等指标也是重要的5G 技术指标，需要在5G 系统设计时综合考虑。
三、新型网络架构
未来的5G 网络必将是多种网络共存的局面，融合多种通信方式将成为一个显著的特点。由于移动通信网络的演进特性，未来的网络将包括3G、4G以及WLAN 网络等多种制式，是无缝、异构、融合的网络。因此，未来5G 将形成蜂窝与Wi-Fi 融合组网的新型网络架构，可以有效利用非授权频段实现业务分流。
另一方面，随着移动通信业务量的不断增长，基站所承担的业务量和计算量也越来越大。为了减轻基站压力，提高传输速度，D2D（Device to Device）网络的概念被提出。目前，在LTE Rel-13 中已经开始讨论D2D 技术，未来也将成为5G 中的关键技术。D2D 技术即终端直通技术，指终端之间通过复用小区资源直接进行通信的一种技术。D2D 技术无需基站转接而直接实现数据交换或服务提供（如图1所示），可以有效减轻蜂窝网络负担，减少移动终端的电池功耗、增加比特速率、提高网络基础设施的鲁棒性。然而，在蜂窝通信系统与D2D 通信系统融合的系统中，网络需要决定何时启用D2D 通信模式，以及D2D 通信如何与蜂窝通信共享资源，是采用正交的方式，还是复用的方式，是复用系统的上行资源，还是下行资源，这些问题也增加了D2D 辅助通信系统资源调度的复杂性。
此外，随着物联网技术的飞速发展，未来网络中不仅有人与人的通信，还将产生大量机器与机器（M2M）通信。随着M2M 终端及其业务的广泛应用，未来移动网络中连接的终端数量会大幅度提升，会引起接入网或核心网的过载和拥塞，这不但会影响普通移动用户的通信质量，还会造成用户接入网络困难甚至无法接收入。因此，如何优化网络，使之能适应M2M 应用的各种场景是未来M2M 需要解决的关键。目前确认的方案包括以下几种类型：接入控制方案、资源划分方案、随机接入回退方案、随机接入回退方案、特定时隙接入方案、Pull 方案等，另外，还有针对核心网拥塞的无线侧解决方案。
四、5G 通信的应用展望及技术实现
5G 网络不仅传输速率更高，而且在传输中呈现出低时延、高可靠、低功耗的特点，低功耗能更好地支持物联网应用，如智慧医疗、车联网等。5G 网络使人与人之间实现无缝连接，还可以进一步加强人与物、物与物之间的高速连接。未来的应用将在多平台环境下开发，基于5G 网络超高的数据传输及无感知的时延，会给人们带来全新的体验。
•虚拟导航：用户可以实时访问城市街道和建筑物实景等大型地图数据库。
•移动远程医疗：用户可以在高速行驶的列车上通过视频系统获得医生的协助。
•环境监测和智慧农业：通过5G 时代“万物互联”的物联网系统及边缘地区的无缝覆盖，人们能对联网的动植物、山川、水域等进行实时监控，以获取最新的环境数据，并时刻掌握环境变化动态。农民可从卫星图片上查看全球农作物的长势，还可以观察田间病虫害及旱涝情况，并对产量作出预测。
•应急通信：自然灾害将导致通信系统的瘫痪。而5G 网络能使瘫痪的通信系统在短时间内迅速恢复工作。
总结
5G 网络将融合多种无线通信技术，能很好地解决频率许可和频谱管理问题，给运营商带来更小的投入和更大的经济收益，在安全私密性上也将给公众提供前所未有的完美体验。未来，5G 技术将从每一个细微的方面在全球范围内改变人类的生活方式，成为一个新革命的开始。
参考文献：
[1]5G移动通信网络关键技术综述_赵国锋
[2]5G业务需求分析及技术标准进程_王志勤
[3]5G无线通信技术发展跟踪与分析_王景尧
[4]5G网络新技术及核心网架构探讨_月球
论文作者:纪耿智
论文发表刊物:《基层建设》2017年3期
论文发表时间:2017/5/5
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