移動通信-5G移動通信系統(tǒng)與關鍵技術分析研究

1、摘 要信息和網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展使得無線移動通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流量每年呈指數(shù)級增長，不斷發(fā)展。移動網(wǎng)絡成為了現(xiàn)代生活的必需品，生活中的實物都與移動網(wǎng)絡息息相關，而隨著新興的智能業(yè)務發(fā)展，亟需更多高速、高效、智能的移動通信技術作為其發(fā)展的基礎。隨著4G移動通信網(wǎng)絡的普及，不難發(fā)現(xiàn)，雖然已經(jīng)在3G基礎上進行改善，但仍然難以滿足新興業(yè)務的要求，因此5G移動通信進入了發(fā)展階段，5G移動通信技術的發(fā)展是為了適應和滿足全球智能終端的普及和移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。本文首先概述了5G移動通信技術，其次分析討論了幾個關鍵技術要點以及5G技術的三大應用場景，最后對5G的特色應用進行概述討論。關鍵詞：5G；發(fā)展；關鍵技術；

2、應用場景；特色應用目 錄目錄 HYPERLINK l _Toc995_WPSOffice_Level1 一、5G系統(tǒng)概述2 HYPERLINK l _Toc9972_WPSOffice_Level1 二、5G系統(tǒng)基礎知識3 HYPERLINK l _Toc14578_WPSOffice_Level2 2.1 5G系統(tǒng)關鍵技術3 HYPERLINK l _Toc24856_WPSOffice_Level2 2.2 5G系統(tǒng)三大應用場景3 HYPERLINK l _Toc7990_WPSOffice_Level3 2.2.1 uRLLC3 HYPERLINK l _Toc3671_WPSOffic

3、e_Level3 2.2.2 eMBB3 HYPERLINK l _Toc7410_WPSOffice_Level3 2.2.3 mMTC4 HYPERLINK l _Toc5081_WPSOffice_Level2 2.3 5G網(wǎng)絡切片4 HYPERLINK l _Toc25329_WPSOffice_Level1 三、5G系統(tǒng)特色業(yè)務應用4 HYPERLINK l _Toc18033_WPSOffice_Level2 3.1 智慧城市5 HYPERLINK l _Toc9480_WPSOffice_Level2 3.2 虛擬現(xiàn)實5 HYPERLINK l _Toc15276_WPSOffi

4、ce_Level1 參考文獻65G系統(tǒng)概述由于4G蜂窩網(wǎng)絡的發(fā)展被認為已于2011年結束，因此研究界的注意力現(xiàn)在集中在無線通信技術的創(chuàng)新上，因此引入了第五代（5G）技術。每一代技術的發(fā)育的周期通常被認為是大約10年，因此，5G網(wǎng)絡有望在2020年左右部署。5G與之前四代系統(tǒng)之間的最大區(qū)別在于技術的復合性，并不只是單一的技術，而是當前所有通信技術的綜合。作為最新一代移動通信技術，該技術的安全性、覆蓋范圍以及靈活性得到了極大的提高，峰值速率達到10Gb/s的同時解決了4G網(wǎng)絡中存在的問題。憑借最先進的技術和頻譜效率，它可以滿足當前移動業(yè)務流量的需求，并建立一個高度可靠的網(wǎng)絡社會。5G的特點體現(xiàn)在以

5、下幾個方面：第一，網(wǎng)絡設備的快速擴展將是4G網(wǎng)絡的100倍；其次，網(wǎng)絡消耗的能量更少，達到了節(jié)能的目的；再次，5G所需的頻率比4G高約10倍，通過壓縮等技術，可以有效提高頻率利用率。第四，5G移動通信比4G更可靠，時間延遲減少了近10倍。第五，5G移動通信的用戶率有了很大提高，特別是對有特殊需求的企業(yè)。第六，5G移動通信的吞吐量很強。5G通信系統(tǒng)的發(fā)展是4G網(wǎng)絡通信后發(fā)展起來的新一代移動通信系統(tǒng)。其無線覆蓋性能良好，極大地提高了系統(tǒng)安全性和用戶體驗。新一代網(wǎng)絡系統(tǒng)的出現(xiàn)將在許多領域得到發(fā)展。5G系統(tǒng)具有一定的靈活性，可以自動調(diào)整，以便能夠很好地應對未來變化和發(fā)展的趨勢。目前，5G移動通信已成為

6、國內(nèi)外研究的熱點。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)逐漸成為5G移動通信的巨大推動力。移動互聯(lián)網(wǎng)作為各種通信業(yè)務的基礎平臺，可以通過無線方式為用戶提供便利。根據(jù)目前業(yè)界對5G移動通信的估計，5G的運營將通過一定的無線傳輸技術在4G網(wǎng)絡的基礎上進行更新。此外，新架構的引入使智能系統(tǒng)能夠?qū)⑾到y(tǒng)的總吞吐量擴展到25倍以上。4G通信系統(tǒng)場景主要是人與人間的互聯(lián)，例如高清視頻、簡單物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)等等；4.5G是4G的全方位平滑演進，在現(xiàn)有4G上通過軟件升級或增加一定的硬件來實現(xiàn)，是5G的先行者，主要應用場景是物聯(lián)網(wǎng)，4K超高清視頻、物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)等等；5G不僅僅是一次單純的技術升級，更是為我們提供一個技術

7、平臺，從而催生無數(shù)新應用和新產(chǎn)業(yè)，主要的應用場景是萬物互聯(lián)，包括全息視頻、虛擬現(xiàn)實、自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居和智能穿戴等等為了提高5G運行的傳輸速度，5G系統(tǒng)的設計將進一步采用頻譜效率技術，如波形設計技術，多天線技術等。在這些無線網(wǎng)絡方面，將在此基礎上采用一些新興的網(wǎng)絡架構技術，對5G移動通信進行新一輪的改進。5G移動通信主要采用超高能量無線傳輸技術和高密度無線網(wǎng)絡技術。5G系統(tǒng)基礎知識5G系統(tǒng)關鍵技術提到通信技術，我們首先就會想到香農(nóng)公式：(1-1)上式中，是最大傳輸速率，是頻譜帶寬，是信號功率，是噪聲功率。為了提高最大傳輸速率，從公式可以看出共有三種方法：第一，提高高頻譜范圍，由

8、公式(1-2)可得(1-2)上式中，是最大傳輸速率，是波長，是頻率，為了提高范圍，應該降低的值，因此誕生了5G關鍵技術之一，毫米波；第二，提高頻譜利用率，通過大幅提高頻譜效率Massive MIMO以及正交頻分復用技術OFDM和實現(xiàn)頻譜效率3倍提升空分多址技術SCMA；第三，提高傳輸過程中的效率、空間利用率（CCFD）、3D波束賦形（控制射頻信號相位，控制電磁波精準指向）和D2D技術（同基站下端對端直接通信）。5G系統(tǒng)三大應用場景最近的第5代（5G）新無線電（NR）規(guī)范包括用于傳輸具有不同特性和要求的業(yè)務的特征：其一是uRLLC（超高可靠超低時延通信），超可靠的低延遲通信的目標是在短時間間隔內(nèi)

9、提供具有高成功概率的間歇性小有效載荷；其二是eMBB（移動寬帶增強），該指標專注于大量數(shù)據(jù)傳輸，要求高頻譜效率；最后是應用于大連接物聯(lián)網(wǎng)，針對大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的mMTC（海量機器類通信）。uRLLCuRLLC的基準目標是在1ms內(nèi)通過空中接口實現(xiàn)32字節(jié)有效負載的傳輸和1-10-5的可靠性1，3GPPRelease-15規(guī)范很容易為這些服務提供初始支持。然而，考慮到需要支持異構服務同時確保無線資源的有效使用，具有不同可靠性要求的上行鏈路業(yè)務的復用已引起關注。uRLLC特點是高可靠、低時延、極高的可用性。它包括以下各類場景及應用：工業(yè)應用和控制、交通安全和控制、遠程制造、遠程培訓、遠程手術等。e

10、MBBeMBB和uRLLC在下行鏈路中的有效復用可以通過動態(tài)調(diào)度來實現(xiàn)，其中高權限uRLLC傳輸打孔eMBB分配2。在上行鏈路中，類似的概念可以與搶占方案一起使用，用于多個用戶設備內(nèi)和針對多個用戶設備間之間的業(yè)務復用。這樣，當uRLLC被授權發(fā)送時，eMBB傳輸暫停。雖然該解決方案對于動態(tài)調(diào)度傳輸有效，但是當使用免費方案時，該解決方案不適用。在NR中指定為配置授權的無授權傳輸是具有非常嚴格要求的上行鏈路uRLLC的主要推動者之一。eMBB包括以下各類場景及應用：家庭、企業(yè)、場館、移動/固定/無線、非SIM設備、智能手機、VR/AR、4K/8K UHD、廣播等。mMTC海量機器類通信（mMTC）

11、3的特點是低成本、低能耗、小數(shù)據(jù)量和大量連接數(shù)，在移動網(wǎng)絡社會中發(fā)揮著重要作用，可以為網(wǎng)絡運營商帶來可觀收入的有效性。mMTC已成為幾種新興智能服務的主要通信范例：公共安全、醫(yī)療保健、工業(yè)自動化、無人機/機器人和公用事業(yè)和交通運輸?shù)鹊?。然而，mMTC仍處于5G新無線電（NR）4的早期標準化階段，需要大量的研究工作才能得到改進，雖然目前學術界和工業(yè)合作伙伴提供了許多研究機會作為鼓勵目的的例子，但是在未來，仍然要面對技術上的各種挑戰(zhàn)。5G網(wǎng)絡切片5G計劃的主要目標是創(chuàng)建“一個完整的、自動化的新生態(tài)系統(tǒng)，基于越來越多的服務和應用，對移動寬帶、機器類型、高可靠性和低延遲通信有不同的要求”。針對不同的場

12、景，對網(wǎng)絡資源的需求是不同的，如果使用同一套網(wǎng)絡資源，則針對不同的使用場景，很難達到當前最高質(zhì)量的服務；反之，對每一個不同使用場景都分別建設一個網(wǎng)絡提供專業(yè)服務，則會因為資源的重復建設而造成資源浪費。因此要通過網(wǎng)絡切片技術將物理存在的網(wǎng)絡劃分為多個虛擬化的網(wǎng)絡，又稱為多個網(wǎng)絡切片，可以針對不同的應用場景提供相應網(wǎng)絡功能5。5G網(wǎng)絡切片成為這些技術和業(yè)務需求的可靠證明框架解決方案。網(wǎng)絡切片允許網(wǎng)絡運營商通過公共網(wǎng)絡基礎設施提供具有特定客戶服務功能的安全專用虛擬網(wǎng)絡，并包括不同的技術部分和管理域。智能城市服務需要具有高數(shù)據(jù)處理能力，速度和低延遲的可擴展基礎架構所支持的高級請求，能夠提供靈活的配置，

13、成本效益和服務定制。每個網(wǎng)絡片都包含一組邏輯網(wǎng)絡功能，這些功能是為了獨立滿足已部署用例的要求而創(chuàng)建的。5G slice“支持特定連接類型的通信服務，具有處理該服務的控制和用戶平面的特定方式”。網(wǎng)絡切片可以最大限度地跨域共享網(wǎng)絡資源，為不同的垂直業(yè)務創(chuàng)建專用邏輯網(wǎng)絡和相關功能的靈活性，通過智能切片和切片生命周期管理提供可配置的QoS和QoE。各大運營商可以通過提供核心網(wǎng)件庫以及服務模板，對不同用戶的不同需求進行網(wǎng)絡的定制和開通，又能夠根據(jù)當前用戶使用情況結合基站負荷等信息進行智能選擇。5G系統(tǒng)特色業(yè)務應用作為第一個以用例為推動力的移動通信技術，隨著5G標準的終結，5G應用即將呈現(xiàn)井噴之勢，將在娛

14、樂6、制造、汽車7、能源、醫(yī)療8、交通、教育、養(yǎng)老等各個行業(yè)擁有自己的一席之地。本章簡述其中兩個較為熱門的應用。智慧城市5G項目協(xié)同帶來的創(chuàng)新元素是端到端機制的設計以及作為基于微服務云的應用程序的架構組件，將自動部署在5G網(wǎng)絡可編程基礎架構上。幾個項目的地址在5G或LTE網(wǎng)絡中實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的各種技術挑戰(zhàn)，以滿足不同垂直業(yè)務用例的多樣化需求。其中，現(xiàn)有工作的很大一部分集中在無線接入網(wǎng)絡（RAN）中的切片，例如EU 5G PPP項目COHERENT涉及來自歐洲和美國的貢獻者。虛擬網(wǎng)絡功能（VNF）的正確鏈接和放置對于服務創(chuàng)建的網(wǎng)絡切片很重要。在服務鏈中聯(lián)合考慮主動緩存，以改善視頻緩存應用的移動性支

15、持。這種網(wǎng)絡功能和應用服務的聯(lián)合設計將有利于用例通知切片，就像這項工作一樣，突出了MATILDA和SliceNet項目之間的智能城市9用例。解決底層基礎設施的自動化和自組織能力的舉措已經(jīng)開啟，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡切片之間共享資源的虛擬化。大多數(shù)科學文章正在解決與不同用例相關的5G系統(tǒng)的要求和挑戰(zhàn)或能夠支持與智能城市，智能能源，公共安全相關的不同類型應用的框架。虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實（VR）10融合了多媒體、傳感器、新型顯示、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等眾多技術，是引領全球新一輪產(chǎn)業(yè)變革的重要力量。當前，我國VR消費級市場快速培育，在游戲、娛樂、影視等領域的產(chǎn)品形態(tài)更加豐富，商業(yè)模式逐漸走向成熟。特別是今年的5G商用，

16、為VR在更廣泛領域的應用開辟了新天地在6月20日舉行的2019世界VR（虛擬現(xiàn)實）產(chǎn)業(yè)大會新聞發(fā)布會上，工信部電子信息司副司長吳勝武表示，今年5G商用為虛擬現(xiàn)實技術在更廣泛領域的應用開辟了新天地。在5G的協(xié)助下，需要實時交流、實時交互的虛擬現(xiàn)實行業(yè)應用將被實踐和推廣。參考文獻1 溫萍萍. 5G網(wǎng)絡中支持URLLC業(yè)務的數(shù)據(jù)復制傳輸技術J. 無線互聯(lián)科技, 2018, v.15；No.134(10):26-28.2 楊燕玲,阮丹. eMBB應用場景下的5G無線網(wǎng)絡部署方案研究J. 廣東通信技術, 2018, 38(10):59-62.3 曹蔚, 馮鋼, 秦爽,等. 面向海量機器類通信(mMTC)的無線接入控制J. 重慶郵電大學學報（自然科學版）, 2017, 29(5):579-589.4 周鈺哲. 全球5G進展、趨勢分析及啟示J. 中國無線電, 2019, 281(1):22-25.5 王華. 未來5G網(wǎng)絡切片技術關鍵問題分析與探究J. 通信