5G技术及其应用探讨

朱建兴

广州理工学院 广东 广州 510540

5G或5G技术是第五代移动通信技术（英语：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation）的简称，是最新一代蜂窝移动通信技术，也是继4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）移动通信技术之后的延伸。

2015年10月26日至30日，在瑞士日内瓦召开的2015无线电通信全会上，国际电信联盟（ITU）正式批准了三项有利于推进未来5G研究进程的决议，并正式确定了5G的法定名称是“IMT-2020”。

1 5G的三大特点

（1）大规模机器通信（mMTC）。设备的连接密度相比4G将提升100倍，支持每平方公里100万台低功率、低带宽、低成本和对时延要求不高的设备连接，能实现从生产到消费的全环节、从人到物的全场景覆盖，即“万物互联”；

（2）增强型移动宽带（eMBB）。其峰值速率将是4G网络的10倍以上，可达到10Gbps的峰值吞吐率，对应的是大流量移动宽带业务；

（3）高可靠低时延通信（uRLLC）。通信的响应速度可降至1ms级别，如自动驾驶汽车探测到障碍物后的响应速度将比人的反应更快，将助推自动驾驶汽车从实验室开到路上，而且可以支持高速移动（500km/h）情况下的高可靠性（99.999%）连接。

2 5G的关键技术

（1）大规模天线技术（Massive MIMO）[1]。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系统，是指在发射端和接收端分别使用多个天线，形成MIMO通信链路。通过添加多个天线，可以为无线信道带来更大的自由度，以容纳更多的信息数据。

（2）毫米波技术（mm Wave）。毫米波是一种频率为30～300GHz的无线电磁波，5G采用的频段是24～100GHz，目的主要是能够提供更大的带宽和更高的数据速率。

（3）云无线接入技术（C-RAN）。将传统的无线接入网功能软件化、虚拟化，部署到标准的云环境中，从而提升设计的灵活性和计算的可扩展性，提升能效和减少集成成本，实现资源共享和动态调度，提高频谱效率，以达到低成本、高带宽和灵活度的运营。

（4）网络功能虚拟化技术（NFV）。就是通过虚拟化技术将网络功能软件化，并运行于通用硬件设备上，以替代传统的专用网络硬件设备，实现配置的灵活性、可扩展性和移动性。

（5）软件定义网络技术（SDN）。SDN是一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制业务与数据业务分离开，从而可以实现网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能化。

（6）网络切片技术（Network Slice）。该技术是一种按需组网方式，可以让运营商在统一的基础设施上切出多个虚拟的端到端网络，其目的是为不同的行业或企业在运营商的5G网络上开辟一个“专用虚拟网络”，以达到行业或企业特性化和个性化的需求。

（7）多接入边缘计算技术（MEC）。该技术就是将数据存储和计算能力有效地部署在更靠近用户的边缘，从而可以降低网络时延，提供更多的低时延、高宽带应用。

（8）前传和回传技术。由于5G无线速率大幅提升、MIMO天线数量成倍增加，传统的4G CPRI协议无法满足前传容量和时延要求，为此，标准组织正在研究和制定新的前传技术。另外，在光纤难以部署的区域，无线回传是一种可选的最佳方案，如采用点对点微波、无线mesh网络等。

3 5G应用

（1）窄带物联网（NB-IOT）。据统计，在日常生活中，真正的物联网高速应用只有10%左右（3G或4G业务），中等速率约占30%（GPRS业务），约60%的低速业务还缺少蜂窝技术的支持，而实际中，对这种广覆盖、低成本、低速率、低功耗的应用诉求非常强烈，如水、电、气抄表、路灯管理等网络需求，理论上这种业务在一个普通小区可以支持约50000个连接，可广泛应用在智慧城市、设备管理、消费电子、智慧建筑、智能物流、农业环境等领域。

（2）虚拟现实（VR）。一部8GB的高清电影，如果使用3G网络（假设14Mbps的下载速率），将需要约90min的时间才能完成下载；如果使用4G网络（假设150Mbps的下载速率），则需要约9min的时间可以完成，但这个时间显然还是觉得时间太长，随着5G技术的发展，同样的内容，我们可以感受到“秒级别”的体验。这种大流量视频VR技术的发展可以在教育、娱乐、网购、社交、展会、发布会等领域得到广泛应用。

（3）车联网、远程医疗及智能制造。未来车辆实现自动驾驶是主要的发展趋势，这就要求车与车、车与路及障碍物之间要有极高的协调性，同时对“时延”提出了非常高的要求。对于自动驾驶业务，基于安全性的考虑，要求移动网络的时延必须控制在“毫秒级”的量级内，这样才能保证自动驾驶汽车在遇到紧急情况时，可以快速启动制动系统，达到安全的制动距离，而这种毫秒级的超低时延是4G网络无法满足的。

总之，5G是一个端到端的、全移动的、全连接的生态系统，小到个人穿戴、智能家居、云化办公，大到工业、农业、医疗、教育、金融、环境等行业领域，5G都能满足全互联的需求，其发展趋势就是要向“大连接、高速率、低时延”的方向发展，真正做到“信息随心至、万物触手及”。