5G通信关键技术应用与研究

中国移动通信集团内蒙古有限公司 司春波 赵志强 李晓勇 米 凯 康 珺

5G是当前应用和研发最为先进的移动通信技术，也是移动互联网和物联网发展的重要支撑，能够有效的支撑8K高清视频、虚拟现实、移动云服务、工业互联网、车联网等应用，具有更低延迟、更高带宽等特性，具有非常广泛的应用意义。5G移动通信的组网模式包括两种，分别是NSA（Non-Standalone）模式和SA（Standalone）模式，NSA是基于4G核心网的过度组网模式，仅支持超移动宽带业务，不能实现全部的5G特性。SA是5G通信的标准组网模式，基于5G基站、5G核心网和5G核心技术，满足5G业务的不同应用需求。SA组网模式采用服务化架构，以云化为基础，支持网络切片、分布式部署和边缘计算等特性，5G通信的SA组网架构如图1所示。

图1 基于SA的5G组网架构

5G网络架构包括核心网5GC和无线接入网NG-RAN两个部分，核心网5GC包括三个功能性逻辑网元，分布式UPF（用户平面功能）、SMF（会话管理功能）和AMF（接入和移动性管理功能），5G接入网包括两种网元，分布式gNB和ng-eNB，gNB提供NR用户平面和控制平面的功能及协议，ng-eNB则提供E-UTRA用户平面和控制平面的功能及协议，NG属于无线接入网和核心网的接口，Xn属于无线网节点之间的接口。

1 5G通信关键技术分析

1.1 大规模MIMO技术

5G通信技术为了提高通信传输能力，采取了大规模MIMO技术，该技术能够提升5G网络的信息收发能力，降低数据传输时延，满足车联网、工业控制网络的实时性和高可靠性。大规模MIMO技术具有很多的先进优势，比如，该技术在频谱宽度固定不变的情况下，基于虚拟化技术可以提升5G信道的容量，利用分时传输和复用的基本园林，提高物理信道的利用率，降低传统通信资源频谱资源浪费的问题，减少5G通信网络运行的成本，还可以提高系统的通信传输的可靠性。大规模MIMO技术基于先进的有源天线单一技术针对其进行编码，可以动态的在垂直方向实现发射信号的波束赋形，提高有源天线的数据传输速度，避免数据传输发生错误和提高通信质量，并且一定程度上还可以提高5G信号覆盖范围，减少基站的建设数量和健身成本。

1.2 超密集组网技术

超密集组网技术可以增加5G通信基站的单位数量，尤其是利用小型通信基站提高数据传输的频率复用，形成一个完整的数据传输机制。超密集组网技术经过研究和改进，诞生了无限物理技术和虚拟层技术。无限物理技术可以有效的提高5G网络的频谱带宽使用效果，加强通信网络的热点强度，扩大信号覆盖范围，有效扩充5G网络通信容量，满足热点应用场景的通信需求。虚拟层技术可以更多的优化网络层面，基于单层的实体通信实现多层网络传输功能。超密集组网还可以以宏基站为平台，在虚拟层技术的支持下，构建一个虚拟的网络体系，实现数据的高效传输，实体基站负责实体层的通信数据管理，虚拟层可以加强网络的动态管控，根据用户的实际需求分配通信资源，最优化的利用通信带宽资源，避免通信传输效果不佳。

1.3 边缘计算技术

边缘计算是5G通信的重要应用技术之一，其可以为5G通信网络应用提供一个边缘计算和存储单一，这就可以加快5G通信数据的处理速度。一般地，无线网络组成的结构非常复杂，运行与计算过程也非常繁琐，需要将数据从基站传输到服务器，以便能够提供给业务平台进行加工处理和路由转发，此时无线网用户才可以下载数据，这个过程需要耗费较多的时间，也存在很大的数据延迟，因此不能够为车联网、工业控制网提供技术支持。因此，5G网络为了满足万物互联且时延小的需求，采用了边缘计算技术，该计算模式能够为每一个用户提供电信级的通信服务，并且利用云计算等特点，实现无线数据存储的本地化，从而可以加快数据传输，并且能够降低数据处理时延。边缘计算可以充分的让5G网络发挥自有性，比如带宽高、处理速度快等，减少5G核心网设备的数据存储和转发压力。

2 5G通信关键技术应用场景研究

5G通信的目标是实现万物互联和移动互联，关键技术应用场景包括超密集部署应用场景、机器之间通信应用场景、宏覆盖增强应用场景和低延迟与高可靠应用场景。

2.1 超密集部署应用场景

目前，大型商业广场、会议中心、高等院校、城市社区等多属于人口较为密集的场所，这些场所通信需求量大。5G通信可以为这些场景提供超密集部署基站，提高用户的通信传输速率，将数据传输速率维持在1G以上。超密集部署应用场景可以充分的结合大规模MIMO技术，将不同的应用场景需求划分为三个种类，分别是宏小区、微小区以及毫微小区，每一种小区的网络架构都具有独特的特点，提现了5G组网的多样性和异构性。

2.2 机器之间的通信应用场景

5G通信可以实现万物互联，尤其是物与物之间的通信互联，比如物联网、工业控制网、环境监测网等，这些设备终端都可以采用5G通信技术，基于射频传播等实现数据端到端的收发，满足机器之间的通信传输功能。机器之间的通信传输涉及到的5G应用技术非常多，比如有控制信令优化技术、非正交传输技术以及窄带传输技术，不仅可以扩大物联网通信范围，还可以提高设备控制水平。

2.3 宏覆盖增强应用场景

宏小区的面积通常比较大，覆盖半径长达千米，因此不同的用户距离基站长度不同，数据传输的损益也不同，信噪比差别更大，5G通信传输则利用大规模天线技术，构建一个非正交传输技术和新型的调制编码技术，产生的总增益量可以有效的叠加在一起，有效的提高信号的覆盖范围。同时，5G通信还可以充分的利用微基站的部署水平，在一个小微范围内实现基站的部署，加强数据的通信传输和应用。

2.4 低延迟与高可靠应用场景

5G的峰值速率同4G技术相比起来，存在着从1Gbps到2Gbps的大幅提升，5G的网络时间延迟降低了十分之一，在移动性、连接密度和网络能量效率方面都有着质变的改善，5G的用户体验速率比起4G的用户体验速率，也从10Mbps提高到了100Mbps，因此5G通信在低延时与高可靠的应用场景发挥着不同的作用。比如，工业控制网络在制造和加工精密机械时，每一个加工和制造指令都可能影响机械的精密程度，因此为了保证指令能够得到快速处理和执行，就需要降低数据传输延迟，确保执行设备接受指令进行加工。智能驾驶是车联网发展的重要方向，如果车联网存在较大的时延，就会导致高速行驶的汽车发生安全事故，因此5G网络可以为车联网和工业控制网络提供一个较低的时延，能够利用边缘计算技术，加快数据传输的速度，提高执行设备的操作灵活性和实时性，比如加工机械或汽车，确保5G应用的安全可靠。

结束语：5G通信是移动互联网和物联网实现的关键技术，经过多年的研究和发展，已经在很多领域得到广泛应用，引入的关键技术也非常多，比如大规模MIMO技术、超密集组网技术和边缘计算技术等，这些技术可以有效的支持5G通信传输速率，能够创新现代社会生活和科学技术发展，实现车联网、工业控制、环境监测等，进一步提高了互联网的应用水平。