5G通信關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與研究

中國移動通信集團(tuán)內(nèi)蒙古有限公司 司春波 趙志強(qiáng) 李曉勇 米 凱 康 珺

5G是當(dāng)前應(yīng)用和研發(fā)最為先進(jìn)的移動通信技術(shù)，也是移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要支撐，能夠有效的支撐8K高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、移動云服務(wù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用，具有更低延遲、更高帶寬等特性，具有非常廣泛的應(yīng)用意義。5G移動通信的組網(wǎng)模式包括兩種，分別是NSA（Non-Standalone）模式和SA（Standalone）模式，NSA是基于4G核心網(wǎng)的過度組網(wǎng)模式，僅支持超移動寬帶業(yè)務(wù)，不能實(shí)現(xiàn)全部的5G特性。SA是5G通信的標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)模式，基于5G基站、5G核心網(wǎng)和5G核心技術(shù)，滿足5G業(yè)務(wù)的不同應(yīng)用需求。SA組網(wǎng)模式采用服務(wù)化架構(gòu)，以云化為基礎(chǔ)，支持網(wǎng)絡(luò)切片、分布式部署和邊緣計(jì)算等特性，5G通信的SA組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于SA的5G組網(wǎng)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括核心網(wǎng)5GC和無線接入網(wǎng)NG-RAN兩個部分，核心網(wǎng)5GC包括三個功能性邏輯網(wǎng)元，分布式UPF（用戶平面功能）、SMF（會話管理功能）和AMF（接入和移動性管理功能），5G接入網(wǎng)包括兩種網(wǎng)元，分布式gNB和ng-eNB，gNB提供NR用戶平面和控制平面的功能及協(xié)議，ng-eNB則提供E-UTRA用戶平面和控制平面的功能及協(xié)議，NG屬于無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的接口，Xn屬于無線網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的接口。

1 5G通信關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

5G通信技術(shù)為了提高通信傳輸能力，采取了大規(guī)模MIMO技術(shù)，該技術(shù)能夠提升5G網(wǎng)絡(luò)的信息收發(fā)能力，降低數(shù)據(jù)傳輸時延，滿足車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性和高可靠性。大規(guī)模MIMO技術(shù)具有很多的先進(jìn)優(yōu)勢，比如，該技術(shù)在頻譜寬度固定不變的情況下，基于虛擬化技術(shù)可以提升5G信道的容量，利用分時傳輸和復(fù)用的基本園林，提高物理信道的利用率，降低傳統(tǒng)通信資源頻譜資源浪費(fèi)的問題，減少5G通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的成本，還可以提高系統(tǒng)的通信傳輸?shù)目煽啃?。大?guī)模MIMO技術(shù)基于先進(jìn)的有源天線單一技術(shù)針對其進(jìn)行編碼，可以動態(tài)的在垂直方向?qū)崿F(xiàn)發(fā)射信號的波束賦形，提高有源天線的數(shù)據(jù)傳輸速度，避免數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯誤和提高通信質(zhì)量，并且一定程度上還可以提高5G信號覆蓋范圍，減少基站的建設(shè)數(shù)量和健身成本。

1.2 超密集組網(wǎng)技術(shù)

超密集組網(wǎng)技術(shù)可以增加5G通信基站的單位數(shù)量，尤其是利用小型通信基站提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率復(fù)用，形成一個完整的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。超密集組網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過研究和改進(jìn)，誕生了無限物理技術(shù)和虛擬層技術(shù)。無限物理技術(shù)可以有效的提高5G網(wǎng)絡(luò)的頻譜帶寬使用效果，加強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)強(qiáng)度，擴(kuò)大信號覆蓋范圍，有效擴(kuò)充5G網(wǎng)絡(luò)通信容量，滿足熱點(diǎn)應(yīng)用場景的通信需求。虛擬層技術(shù)可以更多的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)層面，基于單層的實(shí)體通信實(shí)現(xiàn)多層網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。超密集組網(wǎng)還可以以宏基站為平臺，在虛擬層技術(shù)的支持下，構(gòu)建一個虛擬的網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸，實(shí)體基站負(fù)責(zé)實(shí)體層的通信數(shù)據(jù)管理，虛擬層可以加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)管控，根據(jù)用戶的實(shí)際需求分配通信資源，最優(yōu)化的利用通信帶寬資源，避免通信傳輸效果不佳。

1.3 邊緣計(jì)算技術(shù)

邊緣計(jì)算是5G通信的重要應(yīng)用技術(shù)之一，其可以為5G通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供一個邊緣計(jì)算和存儲單一，這就可以加快5G通信數(shù)據(jù)的處理速度。一般地，無線網(wǎng)絡(luò)組成的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，運(yùn)行與計(jì)算過程也非常繁瑣，需要將數(shù)據(jù)從基站傳輸?shù)椒?wù)器，以便能夠提供給業(yè)務(wù)平臺進(jìn)行加工處理和路由轉(zhuǎn)發(fā)，此時無線網(wǎng)用戶才可以下載數(shù)據(jù)，這個過程需要耗費(fèi)較多的時間，也存在很大的數(shù)據(jù)延遲，因此不能夠?yàn)檐嚶?lián)網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)提供技術(shù)支持。因此，5G網(wǎng)絡(luò)為了滿足萬物互聯(lián)且時延小的需求，采用了邊緣計(jì)算技術(shù)，該計(jì)算模式能夠?yàn)槊恳粋€用戶提供電信級的通信服務(wù)，并且利用云計(jì)算等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)存儲的本地化，從而可以加快數(shù)據(jù)傳輸，并且能夠降低數(shù)據(jù)處理時延。邊緣計(jì)算可以充分的讓5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮自有性，比如帶寬高、處理速度快等，減少5G核心網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)壓力。

2 5G通信關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用場景研究

5G通信的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)和移動互聯(lián)，關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用場景包括超密集部署應(yīng)用場景、機(jī)器之間通信應(yīng)用場景、宏覆蓋增強(qiáng)應(yīng)用場景和低延遲與高可靠應(yīng)用場景。

2.1 超密集部署應(yīng)用場景

目前，大型商業(yè)廣場、會議中心、高等院校、城市社區(qū)等多屬于人口較為密集的場所，這些場所通信需求量大。5G通信可以為這些場景提供超密集部署基站，提高用戶的通信傳輸速率，將數(shù)據(jù)傳輸速率維持在1G以上。超密集部署應(yīng)用場景可以充分的結(jié)合大規(guī)模MIMO技術(shù)，將不同的應(yīng)用場景需求劃分為三個種類，分別是宏小區(qū)、微小區(qū)以及毫微小區(qū)，每一種小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都具有獨(dú)特的特點(diǎn)，提現(xiàn)了5G組網(wǎng)的多樣性和異構(gòu)性。

2.2 機(jī)器之間的通信應(yīng)用場景

5G通信可以實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，尤其是物與物之間的通信互聯(lián)，比如物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)等，這些設(shè)備終端都可以采用5G通信技術(shù)，基于射頻傳播等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)端到端的收發(fā)，滿足機(jī)器之間的通信傳輸功能。機(jī)器之間的通信傳輸涉及到的5G應(yīng)用技術(shù)非常多，比如有控制信令優(yōu)化技術(shù)、非正交傳輸技術(shù)以及窄帶傳輸技術(shù)，不僅可以擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)通信范圍，還可以提高設(shè)備控制水平。

2.3 宏覆蓋增強(qiáng)應(yīng)用場景

宏小區(qū)的面積通常比較大，覆蓋半徑長達(dá)千米，因此不同的用戶距離基站長度不同，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿p益也不同，信噪比差別更大，5G通信傳輸則利用大規(guī)模天線技術(shù)，構(gòu)建一個非正交傳輸技術(shù)和新型的調(diào)制編碼技術(shù)，產(chǎn)生的總增益量可以有效的疊加在一起，有效的提高信號的覆蓋范圍。同時，5G通信還可以充分的利用微基站的部署水平，在一個小微范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)基站的部署，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的通信傳輸和應(yīng)用。

2.4 低延遲與高可靠應(yīng)用場景

5G的峰值速率同4G技術(shù)相比起來，存在著從1Gbps到2Gbps的大幅提升，5G的網(wǎng)絡(luò)時間延遲降低了十分之一，在移動性、連接密度和網(wǎng)絡(luò)能量效率方面都有著質(zhì)變的改善，5G的用戶體驗(yàn)速率比起4G的用戶體驗(yàn)速率，也從10Mbps提高到了100Mbps，因此5G通信在低延時與高可靠的應(yīng)用場景發(fā)揮著不同的作用。比如，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)在制造和加工精密機(jī)械時，每一個加工和制造指令都可能影響機(jī)械的精密程度，因此為了保證指令能夠得到快速處理和執(zhí)行，就需要降低數(shù)據(jù)傳輸延遲，確保執(zhí)行設(shè)備接受指令進(jìn)行加工。智能駕駛是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要方向，如果車聯(lián)網(wǎng)存在較大的時延，就會導(dǎo)致高速行駛的汽車發(fā)生安全事故，因此5G網(wǎng)絡(luò)可以為車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)提供一個較低的時延，能夠利用邊緣計(jì)算技術(shù)，加快數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋岣邎?zhí)行設(shè)備的操作靈活性和實(shí)時性，比如加工機(jī)械或汽車，確保5G應(yīng)用的安全可靠。

結(jié)束語：5G通信是移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，引入的關(guān)鍵技術(shù)也非常多，比如大規(guī)模MIMO技術(shù)、超密集組網(wǎng)技術(shù)和邊緣計(jì)算技術(shù)等，這些技術(shù)可以有效的支持5G通信傳輸速率，能夠創(chuàng)新現(xiàn)代社會生活和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等，進(jìn)一步提高了互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用水平。