5G移動通信技術(shù)下傳輸?shù)奈磥戆l(fā)展趨勢探析

郭亞平

（內(nèi)蒙古自治區(qū)郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)和計算機等技術(shù)的發(fā)展推動了通信技術(shù)的發(fā)展，無論是3G到4G的更新速度，還是5G技術(shù)的全新應用和性能，通信運營傳輸已經(jīng)進入一個全面創(chuàng)新的時代。相對于傳統(tǒng)業(yè)務(wù)中的信息資料和數(shù)據(jù)交流，5G技術(shù)在高新技術(shù)領(lǐng)域的應用促進了其性能的提升，功能更加全面。5G技術(shù)的普及應用對社會發(fā)展的意義重大，如果能夠有效應對無線通信技術(shù)的現(xiàn)實缺陷，就可以實現(xiàn)移動互聯(lián)向萬物互聯(lián)的有效轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)發(fā)展建設(shè)的一體化，提高效率，優(yōu)化管理。

1 4G與5G通信技術(shù)的區(qū)別

4G-LTE是4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的統(tǒng)稱。長期演進技術(shù)（Long Term Evolution，LTE）在傳統(tǒng)意義上稱之為3.9G，2010年年末才被定義為4G技術(shù)。它擁有最大100 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢，成為現(xiàn)代通信從3G轉(zhuǎn)變?yōu)?G的重要原因。4G-LTE由于傳輸速率的優(yōu)勢，在信息資源的交流過程中能夠大幅提升工作效率。4G技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度是3G技術(shù)的數(shù)十倍，且4G通信終端能夠提供不同種類的功能性服務(wù)，包括視頻影像、網(wǎng)絡(luò)社交以及在線游戲等。這類數(shù)據(jù)資源的傳輸能夠通過應用4G技術(shù)大幅提升使用體驗。此外，現(xiàn)代通信由于傳輸速率的提高，相對提高了信息對比和資料查閱的工作效率，也為個人身份與信息核對提供了便利。在播放視頻影像的時候，傳輸速率影響著分辨率。提高傳輸速率有利于人們更加清晰流暢地觀看節(jié)目和影片，對現(xiàn)代新媒體發(fā)展具有重要影響。4G-LTE技術(shù)基于傳統(tǒng)通信技術(shù)不斷發(fā)展而來。如果說傳統(tǒng)通信技術(shù)是營造一個良好的無線通信環(huán)境，那么4G-LTE技術(shù)就是基于大環(huán)境提升了功能與體驗，通過超高頻率和超寬頻寬構(gòu)建了一個超高速的無線通信網(wǎng)絡(luò)體系[1]。

5G技術(shù)與4G技術(shù)相比較，高速率的優(yōu)越性已為大眾熟知。5G的優(yōu)勢在于打破傳統(tǒng)通信的現(xiàn)實局限性，實現(xiàn)基站傳輸技術(shù)的全面升級。2G、3G以及4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸流程是從數(shù)據(jù)端到信息網(wǎng)絡(luò)的傳輸處理，涉及無線網(wǎng)、承載網(wǎng)以及核心網(wǎng)。5G在4G無線側(cè)環(huán)節(jié)的升級，顯著提升了從基站到手機的數(shù)據(jù)速率。大帶寬提高了整個通信傳輸速率上限，相比最多能使用20 MHz帶寬的4G通信網(wǎng)絡(luò)，5G技術(shù)中的毫米波（Millimeter Wave）技術(shù)突破了4G的帶寬上限，可應用的帶寬達到了單個小區(qū)最大帶寬上限100 MHz。在頻譜共享（Spectrum Sharing Techniques，SSM）和大規(guī)模天線（Massive MIMO）技術(shù)的作用下，5G技術(shù)擁有更高的調(diào)制能力和更強的天線能力，且在其基礎(chǔ)上提升了復用技術(shù)水平，加強了信息傳輸?shù)念l率利用率。例如，一輛3 m長的車，在60 m的路段最多能夠容納幾輛車，是一個現(xiàn)實性問題。如果單純從數(shù)學運算角度看，60 m的路段即使單純停車也無法容納20輛?？紤]到行駛間距，實際數(shù)量應小于15輛。而提高頻率利用率是使得行車間距在安全的前提下不斷縮短，從而達到容納更多車輛的目的。實際通信傳輸數(shù)據(jù)的帶寬需要和前后頻帶上的其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)保持一定的隔離帶。5G采用了比4G更高級的復用技術(shù)F-OFDM（4G為OFDM），4G的隔離帶要留10%，而5G只要留2%，因此有效數(shù)據(jù)的傳輸增加了9%左右。4G技術(shù)的理論峰值速率是100 Mb/s（TDD），5G技術(shù)基于帶寬、調(diào)制、多天線以及頻率利用率的增益相乘，能夠?qū)崿F(xiàn)約1.5 Gb/s的峰值速率[2]。

2 5G移動通信技術(shù)下的傳輸應用

5G技術(shù)在社會生活中并不會直接體現(xiàn)，考慮到無線技術(shù)的升級和基站建設(shè)，現(xiàn)階段5G還不能夠取代4G的商用和普及應用地位。但是，5G技術(shù)的快速、安全以及可靠通信等作用已經(jīng)逐漸凸顯。具體而言，5G技術(shù)標準實質(zhì)上是基于未來協(xié)議R17進行細化區(qū)分的，其應用場景分為eMBB（大帶寬業(yè)務(wù)）、uRLLC（低時延業(yè)務(wù)）以及mMTC（物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)）。eMBB大寬帶業(yè)務(wù)主要指的是增強型移動端寬帶技術(shù)升級，也就是針對以小區(qū)為群體單位所供應的通信服務(wù)上限進行升級，如VR/AR技術(shù)的升級，包括高清電視、語音通話、實時辦公以及游戲等內(nèi)容。uRLLC低延時業(yè)務(wù)是指提升低延時和大連接的高速率業(yè)務(wù)通信，如工業(yè)自動化、移動醫(yī)療以及即時導航。mMTC物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)基于物理體積較大的機器設(shè)備，融入智能化和自動化管理選項，具體如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流程圖

這3類通常需要單獨的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以用于eMBB的傳統(tǒng)小區(qū)服務(wù)、mMTC的LoRaWAN服務(wù)、Sigfox服務(wù)以及uRLLC的專用以太網(wǎng)/光纖鏈路等。5G技術(shù)使所有這些不同部分大體統(tǒng)一為一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成從數(shù)據(jù)端在中介信號站處理再傳輸給用戶的通信網(wǎng)絡(luò)向端與端之間的物聯(lián)網(wǎng)集成式轉(zhuǎn)變，降低無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)功耗和范圍的有限性影響。

雖然超可靠和低延遲通信是5G技術(shù)的主要特征，但實際真正投入商用服務(wù)的時間并不是先前相關(guān)研究機構(gòu)預測的2020年。一方面，物質(zhì)設(shè)施沒有完全落實，工程建設(shè)規(guī)劃和服務(wù)范圍、費用以及設(shè)備等問題沒有形成良好運作的商業(yè)體系。另一方面，5G技術(shù)的運營成本能否得到相匹配的收益，仍然要面向群體進行考慮。即使5G技術(shù)的應用是大勢所趨，但是對于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模統(tǒng)一和擴展，5G數(shù)據(jù)基站和商用普及將改變傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)纳鷳B(tài)模式，仍然需要人們花費一定的時間進行適應。以VR/AR技術(shù)的應用為例，5G標準中的R17協(xié)議中有對5G網(wǎng)絡(luò)如何適配XR應用進行的評估，即邊緣云+輕量化終端的分布式架構(gòu)是否能支撐XR應用場景?，F(xiàn)階段的VR設(shè)備是一個小型高端智能處理器，要想實現(xiàn)3D動態(tài)且具有CPU和圖形處理能力，必須依賴于大量的數(shù)據(jù)運算和傳輸[3]。雖然名稱為VR眼鏡，但其整個負重不低于頭盔的質(zhì)量。5G這種集成式的應用就是利用網(wǎng)絡(luò)的高速率和低時延特性，使CPU與GPU從物質(zhì)設(shè)施中分離，上傳至云端進行處理。所有的過程都在云端進行數(shù)據(jù)處理，利用5G技術(shù)的高速率達到即時傳輸，使得VR眼鏡變成了單純的顯示裝置，完全實現(xiàn)了輕量化。除此之外，視頻流量、語音通話、高幀率游戲以及無人化人工智能管理都是基于時代需求和社會發(fā)展所發(fā)生的變革。

3 5G移動通信技術(shù)下傳輸?shù)奈磥戆l(fā)展趨勢

隨著5G技術(shù)的商用性價值不斷上升，5G專網(wǎng)這一概念打破了傳統(tǒng)通信運營商對通信網(wǎng)絡(luò)的壟斷。未來發(fā)展中，在獲取當?shù)卣S可和擁有相關(guān)技術(shù)專利合法使用權(quán)的前提下，一個企業(yè)能夠完全自建一個5G網(wǎng)絡(luò)體系，從基站、承載網(wǎng)以及核心網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)到運維和數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)裙芾砟Ｊ蕉吉氉赃\作，甚至頻率資源都是獨有的。這種部署方式下，企業(yè)擁有自己完全獨立的GNB（5G基站）、通信頻率、核心網(wǎng)控制面/用戶面、用戶數(shù)據(jù)管理（UDM/5GC-CP/UPF）以及邊緣計算服務(wù)器（MEC），完全與公網(wǎng)隔離，而且可以設(shè)置獨立的數(shù)據(jù)基站建立雙重通信，以拓寬渠道。其中的問題主要在于政府許可和獨立頻率的使用權(quán)，而通信設(shè)備和技術(shù)完全可以從相關(guān)企業(yè)中通過交易獲取。以德國為例，它們世界領(lǐng)先的工業(yè)自動化生產(chǎn)線對這種需求極為強烈，且很多企業(yè)具有建立5G專網(wǎng)的實力資本。德國汽車大廠寶馬、大眾以及戴姆勒在內(nèi)的很多工業(yè)巨頭，均有意向在自家工廠產(chǎn)線部署和運營5G專網(wǎng)，且已經(jīng)開始申請頻率資源進行5G專網(wǎng)建設(shè)。截至2020年6月25日，已有50家德國企業(yè)獲得了5G專網(wǎng)許可。運營商本身也需要從華為和愛立信等企業(yè)購買設(shè)備產(chǎn)品和技術(shù)的自主知識產(chǎn)權(quán)。5G專網(wǎng)的自主運營能夠自行決定網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，保障數(shù)據(jù)的可靠性、機密性以及實用性，提高工作效率，并且不妨礙與外部合作，還能與技術(shù)提供商和設(shè)備供應商等伙伴合作開放5G共建項目。

另一個發(fā)展趨勢是需要運營商的參與。對于處于發(fā)展階段的中小企業(yè)和普通群眾來說，仍然需要借助通信運營商使用5G技術(shù)。5G專網(wǎng)完全沒有任何企業(yè)專用設(shè)備，全部采用軟隔離的方式，即企業(yè)不獨立擁有任何基站和核心網(wǎng)設(shè)備，所有的設(shè)備都是與公網(wǎng)用戶共享，再以網(wǎng)絡(luò)切片的方式將企業(yè)用戶的數(shù)據(jù)通過虛擬切片的形式在各個環(huán)節(jié)的流程設(shè)備中隔離處理。這種方式便于管理，日常運維成本低，有助于保證通信質(zhì)量和效率，但無法保證隱私性和安全性。它的上限由通信運營商的技術(shù)部門決定，很難從中干預或自主管理。企業(yè)也可以選擇與運營商深度合作，擁有獨立的部分設(shè)備[4]。例如，將核心網(wǎng)的用戶面網(wǎng)元UPF和邊緣計算服務(wù)器這些適于本土化的設(shè)備留在本地，雖然某些網(wǎng)元不再獨享，但是可以保證自身的數(shù)據(jù)不出廠，可以在本地處理，從而保障安全性、傳輸質(zhì)量以及時延滿足要求[5,6]。

4 結(jié) 論

世界各國都在不斷鉆研通信技術(shù)，其中5G通信技術(shù)是現(xiàn)階段的主要內(nèi)容。5G通信技術(shù)引用新體系結(jié)構(gòu)，能夠提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，促進通信技術(shù)的智能化發(fā)展和我國經(jīng)濟的發(fā)展，不斷滿足人們和社會的需求。它能夠根據(jù)實際情況挖掘資源，在多因素和多角度下進行合理分配，為人們的生活提供便捷，帶來廣闊的發(fā)展前景。文章基于5G技術(shù)的優(yōu)勢分析相關(guān)的通信傳輸應用，針對未來發(fā)展趨勢做出簡要判斷，探討了5G通信技術(shù)在5G專網(wǎng)這一概念中可能呈現(xiàn)的通信網(wǎng)絡(luò)格局，分析了未來通信傳輸業(yè)務(wù)的主要發(fā)展方向。