5G移动通信技术发展与应用趋势

1专家视点电信工程技术与标准化2017年2月第2期（第30卷总第233期）月刊2017年第2期5G移动通信技术发展与应用趋势曾剑秋（北京邮电大学，北京100876）摘　要　5G移动通信技术是目前通信技术中的前沿科技，在2020年后能够得到应用和普及，也是现在通信领域研究的重点方向。本文从移动通信技术发展历程角度展开剖析，探讨5G移动通信技术的发展和应用趋势，结合大数据以及NB-IoT发展提出策略建议。关键词　4G；5G；NB-IoT中图分类号TN929.5文献标识码A文章编号1008-5599（2017）02-0001-04收稿日期：2017-01-18由于5G移动通信技术是基于2G/3G/4G的平滑演进，5G移动通信技术拥有更大的容量和更快的数据处理速度，通过手机、可穿戴设备和其它联网硬件推出更多的新服务，这将导致从量变到质变，5G移动通信技术将带来发展与应用的爆发式增长。15G移动通信技术的特征与关键技术从信息通信技术发展与演进的轨迹分析，5G是第五代移动通信技术，是面向2020年之后的新一代移动通信系统，是2G/3G/4G数据技术进步的结果。1.15G移动通信技术的特征5G是在4G技术基础上的平滑演进，其技术特征主要表现如下。频谱利用率高：高频段频谱资源在5G通信技术中的广泛的应用，目前的科技水平条件下，高频段无线电波利用率比较低，穿透能力差，使用上有不少限制，而未来对频谱的利用率提升，与光载无线组网、有线和无线宽带技术的融合，能够给5G通信技术带来广泛的应用前景。系统性能强：5G移动通信技术将更加多点、多天线、多用户、多社区的相互协同、相互组网作为重点，大幅曾剑秋　英国剑桥大学博士，北京邮电大学经济管理学院教授，博士生导师，北京邮电大学信息经济与竞争力研究中心主任、三网融合研究所所长，工业和信息化部电信经济专家委员会委员。兼任亚太网络运行与管理论坛以及IEEECNOM2004年和NOMS2006年组委会成员，中国移动高级顾问等。长期致力于电信产业技术经济、通信业竞争能力与战略研究，主持完成10余项科研课题。出版著作10余部。22017年2月第2期（第30卷总第233期）月刊2017年第2期电信工程技术与标准化专家视点提高了通信系统的性能。室内通信业务是通信的主要业务，5G移动通信系统也以室内无线网络覆盖性能和业务支撑进行扩展，是移动通信系统的广域覆盖。双向信号传递：5G采取双向传递无线电波。打电话时，电话将声音转换成电子信号，传输电子信号到最近的无线电波接收信号塔。小区发射塔通过信号塔网络反射信号，实现呼叫连接。由于无线电波震动频率更快，5G将利用更先进的技术，配置更高的电台频率和更大的宽带。高频率、大容量和密集的信号接收点，会使得5G网络的下载速度高达10Gbit/s，比4G速度快100倍。功耗成本双低：未来对5G通信系统的研究将会着重在无线网络的“软”配置设计上，运营商可以根据业务流量变化来对网络资源进行及时的调整，实现能耗和成本双低。1.25G移动通信技术的关键技术2G/3G/4G数据技术的发展为5G移动通信关键技术的成熟奠定了基础，5G移动通信技术的关键技术主要如下。高频段传输技术：随着移动终端用户规模的不断增长，频谱资源成为越来越稀缺的资源，高频段传输能够提高频谱资源的利用效益。目前移动通信系统的频段主要在3GHz以内，如果采用高频段带宽就会达到273.5GHz，这样不仅通信设备的尺寸要小很多，而且还能够实现短距离内的高速信息传递，满足用户容量、速率等多方面的要求。多天线传输技术：多天线传输技术是目前5G技术中需要重点研究的技术，多天线传输技术可以实现从二维到三维、从无源到有源、从高阶多输入多输出到大规模阵列，能够充分提高频谱利用率10倍以上。同时同频全双工技术：能够在相同的物理信道上对两个方向的信号进行传输，因而也被称为是高效的频谱效率技术。同时同频全双工技术能够消除通信双工节点自身发射机信号的干扰，既可以发射信号机信号，又可以接收另一节点的同频信号，因而能够有效地提升频谱效率，使移动通信网络具有灵活性和稳定性。设备间直接通信技术：在5G网络当中，用户的规模、数据的流量都将会大幅地增加，以传统基站模式为中心的组网方式显然已经不能满足业务发展的需求，而设备间直接通信技术可以实现在没有基站的情况下也能有效运转，开拓接入和网络连接方式。密集网络技术：5G网络数据流量的目标是4G的1000倍，实现这样的目标需要应用两种技术：其一是布置大规模的天线在宏基站处用来获得室外空间增益；其二是通过布置密集的网络来满足室内外的数据传输需求，由此可见，5G将会采用更加密集的方案，部署超过200个以上扇区以增强网络覆盖能力。新型网络架构技术：5G网络架构将呈现扁平化、低成本、低时延、高效率、易维护等特点，当前的研究方向主要还集中在C-RAN和云架构。智能化技术：5G网络是由大型服务器组成的云计算平台，主要通过具有数据减缓功能的路由器和交换机网络来连接基站，采用宏基站能够实现云计算存储功能、大数据存储功能、处理时效性强的数据、处理多样化的业务、连接方式的多样化等功能，全面实现信息通信技术的智能化。25G移动通信技术的发展与应用趋势纵览全球，5G将于2020年正式商用，具体到中国，将经历3个阶段：一是技术研发试验，目前已完成；二是技术方案验证，目前已启动，预计到2017年底完成；三是系统验证，预计2017年中到2018年底结束。主要指建设5G网络与基站，其主要投向主设备以及配套的网络规划、建设、铁塔及传输等。主设备的投资又将传导至射频器件、光模块、基站天线等投资与建设。与此同时，伴随5G网络建设，5G新业务、新架构、新技术，都会对安全和用户隐私保护提出新的挑战。5G安全机制除了要满足基本信息通信，还需要为不同业务场景提供差异化安全服务，能够适应多种网络接入方式及新型网络架构，隐私保护，支持开放运营环境下的安全能力。3专家视点电信工程技术与标准化2017年2月第2期（第30卷总第233期）月刊2017年第2期未来5G安全将呈现多样化场景，并在多种接入方式以及新型网络架构的基础上提供全方位的安全保障。5G移动通信技术的应用趋势将主要体现在以下3个方面。一是万物互联：从4G开始，智能家居行业已经兴起，但只是处于初级阶段的智能生活，4G不足以支撑“万物互联”，距离真正的“万物互联”还有很大的距离；而5G极大的流量将能为“万物互联”提供必要条件。未来数年，物联网的快速发展与5G的即将商用有着密不可分的关系。由于目前网络条件的限制，很多物联网应用需求并不能得到有效满足，这其中主要包括两大场景：一是大规模物联网连接，其特点是规模较大，每终端产生的流量较低，设备成本和功耗水平也相对较低；二是关键任务的物联网连接，要求网络具备高可靠、高可用、高带宽以及低延时的特点。致力于提供更高速率、更短时延、更大规模、更低功耗的5G，将能够有效满足物联网的特殊应用需求，从而实现自动化和交通运输等领域的物联网新用例，加快物联网的落地和普及。事实上，在5G技术研发阶段，各组织机构已经达成共识：物联网将是5G最主要的应用场景，也是5G最先部署和落地的应用场景，而在5G技术研发阶段，物联网的特殊需求也被各组织所重点考虑。二是生活云端化：如果5G时代到来，4K视频甚至是8K视频将能够流畅实时播放；云技术将会更好的被利用，生活、工作、娱乐将都有“云”的身影；另一方面，极高的网络速率也意味着硬盘将被云盘所取缔；随时随地可以将大文件上传到云端。5G的移动内容云化有两个趋势：从传统的中心云到边缘云（即移动边缘计算），再到移动设备云。由于智能终端和应用的普及，使得移动数据业务的需求越来越大，内容越来越多。为了加快网络访问速度，基于对用户的感知，按需智能推送内容，提升用户体验。因此，开放实时的无线网络信息，为移动用户提供个性化、上下文相关的体验。在移动社交网络中，通常流行内容会得到在较近距离范围内的大量移动用户的共同关注。同时，由于技术进步，移动设备成为可以提供剩余能力（计算、存储和上下文等）的“资源”，可以是云的一部分，即形成池化的虚拟资源，从而构成移动设备云。三是智能交互：无论是无人驾驶汽车间的数据交换还是人工智能的交互，都需要运用到5G技术庞大的数据吞吐量及效率。由于只有1ms的延迟时间，5G环境下，虚拟现实、增强现实，无人驾驶汽车、远程医疗这些需要时间精准、网速超快的技术也将成为可能。而VR直播、虚拟现实游戏、智慧城市等应用都需要5G网络来支撑，这些，也将成为未来生活的改变。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、甚至宠物项圈都能够连接上网络。设想几个场景：宠物项圈联网后，一旦宠物走失，找到它轻而易举；冰箱联网后，可适时提醒主人今天缺牛奶了；建筑物、桥梁和道路联网后，可以实时监测建筑物质量，提前预防倒塌风险；企业和政府也能实时监控交通拥堵、污染等级以及停车需求，从而将有关信息实时传送至民众的智能手机；病人生命体征数据可以被记录和监控，让医生更好地了解生活习惯与健康状况的因果关系。3中国引领5G移动通信技术发展的建议ITU（国际电信联盟）已完成5G愿景研究，预计2020年将完成标准制定，其中第一阶段将于2018年9月R15冻结，第二阶段将于2020年3月R16冻结。5G将解决多样化应用场景下差异化性能指标带来的挑战，不同应用场景面临的性能挑战有所不同，用户的体验速率、流量密度、时延、能效和连接数都可能成为不同场景的挑战性指标。而我国5G技术研发试验分为3个阶段：2016年9月以前是第一阶段，针对单点技术样机功能和性能测试；2017年上半年是第二阶段，针对不同厂商的技术方案，基于统一频率，统一规范，开展单基站性能测试和无线接入网络和核心网增强技术的功能、性能和流程测试；2017年下半年到2018年10月是第三阶段，开展5G系统的组网络技术功能和性能、测试。在201642017年2月第2期（第30卷总第233期）月刊2017年第2期电信工程技术与标准化专家视点年11月国际移动通信标准化组织3GPP最终确定了5GeMBB场景的信道编码技术方案，其中，短码的控制信道编码方案采用了华为主推的Polar码。此外，中国移动成功牵头5G网络系统架构设计。5G技术是物联网的标配，能够提供低成本、低能耗、低延迟、高可靠性的通信，以支持物联网长时间、大规模的连接应用，如时速180km以上的智能汽车，5G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，安全、快捷、稳定一览无遗。根据目前的市场情况来看，我国正在大力推广4G移动通信技术，而且已经发展得十分成熟了，已被人们广泛的接受和应用，因而5G将会成为未来移动通信领域的发展方向。因此，基于5G和NB-IOT标准以及物联网应用，中国引领5G移动通信技术发展的主要的策略与建议有两个方面。一方面，中国需要推进全球统一标准并抢占先机。Polar码最终能够胜出，佐证了中国通信业的崛起，国际地位明显提升，早已今非昔比。同时，我国在移动通信领域的进步不能也绝不会孤立于全球主流。鉴于2G有两个标准，3G有3个标准，4G有两个标准，如今，全球通信业已达成共识：5G要形成一个统一标准。我国政府高层也多次强调，5G要大合作，中国将积极贡献自己的最新研发成果，为推进全球统一标准而努力。另一方面，中国需要明晰通信技术与物联网共生的定位,与物联网的共生也是未来我国在发展通信技术的关键。5G和物联网协同效应是未来最主要的场景。处理物联网产生的多样化数据需要5G网络具备高度灵活性。反过来，物联网将管理5G网络配置，以满足终端用户随时随地的需求。在中国移动的联合创新中心成员名单中，除了传统的通信领域企业，还有海尔、海信这样的家电制造商，以及首钢这样的传统制造业，他们都是中国目前物联网的主要应用者和推动者。4结语ICT技术驱动全球化并为人类带来发展的机遇与挑战，在全球一盘棋的大背景下，任何一个国家，任何一个公司想要“碾压”对手，形成“一家独大”都是不可能的。要形成一个统一的5G标准，既需要有关各方贡献最新的研发成果，又要尽可能团结大多数，