5G无线通信技术概念及相关应用讲解

5G无线通信技术概念及相关应用
由技术编辑于星期三, 12/17/2014 - 11:45 发表
作者: 翟冠楠李昭勇中国移动通信集团广东有限公司珠海分公司电信网技术
随着通信网络的El益发展及3G与4G技术的推广与应用，后4G时代的通信技术被命名为5G。

5G通信技术作为概念性的技术在2001年由日本NTT公司提出，而我国5G概念则是于2012年8月在中国国际通信大会上被提出。

目前，5G通信技术还没有统一的制式标准。

前不久，报道称韩国三星公司已研发出5G通信技术，该技术被命名为Nomadic Local Area Wjreless Access(简称NoLA)。

手机在利用该技术后无线下载速度可以达到3.6G/s。

本文将简要阐述5G通信技术的概念，并结合目前通信领域先进的技术(如云计算等)及概念性产品(如光场相机、比特币等)来阐述该技术在未来的发展和应用前景。

1. 引言
5G无线通信技术实际上就是无线互联网网络(见图1)，这个技术将支持OFDM(正交频分复用)、MC．CDMA(多载波码分多址)、LAS-CDMA(大区域同步码分多址)、UWB(超宽带)、NETWORK．LMDS(区域多点传输服务)和IPv6(互联网协议)。

事实上，IPv6是4G和5G技术的基础协议。

5G技术是一个完整的无线通信系统，没有任何限制，所以我们将5G称为真正无线世界或者Wwww (WorldwideWireless Web，世界级无线网)。

图1 5G网络拓扑图
2. 5G移动网络
对于不同的RAN(Radio Access Network，无线电接入网)，利用扁平化IP概念更容易使5G网络升级至一个单纳米核心网络。

由于扁平化IP，我们要更关注网络安全，因此5G网络运用纳米技术作为防护工具来保障网络安全。

不可否认的是，扁平化IP网络的关键概念就是使5G可以兼容所有的网络。

为了满足使用者对即时数据应用的要求，无线运营商要试图转型到扁平化IP建设中去。

扁平化IP构架提供
了一个能够通过象征性的名称来识别终端的方法，这种方法不像分层架构那样运用正常的IP地址，这种做法给移动网络运营商带来更多的利益。

随着向扁平化IP架构的转型，移动运营商可以做到：
●减少数据通道中的网络元素，从而减少运营成本和资本支出。

●在运用新型的应用中，一定程度上减少数据在传输过程中的损耗。

●将整个通信系统中的延迟最小化，如果无线链路中的延迟被增强，也会在系统中得到完整的识别。

●分别独立改善无线网与核心网，使之相比从前的网络，拥有更好的拓展性，也可以建立更灵活的网络结构。

●发展一个更灵活的核心网络，这个核心网可以作为基站，在移动终端与通用IP接入网中提供更新颖的服务。

●创建一个更具有竞争力的平台，对于有线网络来说，具有价格和性能表现上的优势。

扁平化的网络结构在网络中去除了语音功能导向中的分层。

为了取代覆盖在语音网络中的数据包，可以构造更简化的数据结构，这样即可去除网络链条中多样的元素。

图2所示是5G移动系统中的网络结构设计方案的系统模型，这是一个无线与移动网络互用的全IP网络模型。

这个模型中包括了一个用户终端(这在整个全新的构造中起到至关重要的作用)和一些独立、自主的无线电接入技术。

对于每一个终端来说，每一个无线电接人技术都可以被看做是一条IP链接，可以连通外部的Internet网
络。

但是，在移动终端中，不同的无线电接人技术需要不同的无线电接口。

例如，若我们有4种不同的无线电接入技术，我们就需要4种对应的接口植入到移动终端中，而且要求可以同时问激活这4种无线电接入。

图2 5G移动网络
3. 5G结构——纳米核心
所谓的5G纳米核心实际上包括纳米技术、云计算、全IP平台(见图3)，而这3种技术对于现今的无线网络来说，也发挥着各自的作用。

3.1. 纳米技术
纳米技术作为纳米科学的重要应用之一，主要应用于纳米范围内的操作控制，纳米范围一般为0．1～lOOnm。

这个领域中也包括分子纳米技术(MNT_Molecule Nanotechnology)，分子纳米技术主要应用于原子工程与分子工程中的结构控制。

纳米技术于1 974年在东京制造业国际会议上被提出，它作为下一次工业革命中的重要部分，将促使通信行业迅速地转向至下一代的通信标准。

图3 5G网络结构——纳米核心
3.2. 纳米终端(NE．Nano Equipment)
在当今社会，移动手机不再仅仅扮演通信设备的角色，而开始慢慢转型到另一种独立的角色。

在5G通信中，那些所谓的移动终端将被植入纳米技术的芯片，我们称这种终端为“纳米终端”。

对于无线领域来说，环境智能的概念将作为中心理念之一被广泛应用，纳米终端将以智能的方式随时给用户提供完美的计算和通信。

当然，这些纳米终端将被人们在不同的场所进行运用(比如家庭、办公室、公共场所)，因此纳米终端将提供一个崭新的平台，这个平台将提供前所未有的感应、计算、通信能力，具体表现如下：
●自我清洁：终端将自我清理机身及内部结构中的尘土、硬盘中的垃圾文件，重整磁盘结构等。

●自我充电：终端从太阳能、水能、风能等可再生资源中获取电量。

●感应周围环境：终端自动感应周围天气与空气污染指数等。

●柔韧的机身：可弯曲折叠，却不易损坏。

●透明：可以“看穿”的终端。

3.3. 云计算
云计算是一种运用于中央控制服务器上的技术，主要是在中央服务器上储存数据和执行应用。

可以运用云计算做到不在任何一个终端上储存文件和安装应用软件，而是通过Intemet网络连接来进行读取与应用。

同样的概念也被应用于纳米核心技术，纳米核心技术运用于云端储存技术中，用户可以通过自己的隐私账户来管理全球性云端储存服务器中的文件。

云计算的发展孕育了极大的潜力，由于云计算要依靠网络，所以它将是网络发展的重要指标，并促使网络不断发展。

同时，云计算的发展需要安全的、可信赖的服务运营商支持，这些运营商要在网络方面有丰富的经验，他们将被允许进入云计算平台，并被要求在云计算平台中运用统一的标准创造新的增值服务与体验。

这会使终端用户获得更多的即时应用，进而更有效地利用5G网络。

在安全性方面，可以利用量子密码学进行实现(注：量子密码学根据量子的不确定性，并以量子态作为信息载体，经由量子通道在合法的用户之间传送密钥)。

云计算的用户可以避免不必要的资源浪费，并且可以减少物理储存支出，也可以缩减为第三方储存器代理方所提供的费用。

云计算有3个主要的部分：
●应用：主要应用于即时软件，即时软件会分成不同的类别，他们拥有不同的价格与传输于终端客户的方式，终端客户需要购买一个服务器(终端)并通过Intemet来接收应用。

●平台：主要是说用户通过中端储存器与运营商完成应用与文件同步的平台。

●基础建设：是整个云计算概念的核心支柱，运营商需要建立一个环境，并开放用户权限，使用户可以运用某种语言自行的创造应用。

云储存也是基础建设中的一个重要部分。

5G纳米核心有效地利用上述3点，将大大地满足用户需求。

云计算概念的引入也将大大减少5G网络发展中的资本投人。

这意味着，用户可以花更少的钱买到更多更好的服务。

3.4. 全IP网络
我们已经讨论了不同的5G纳米核心技术，现在我们需要一个平台来实现这些技术。

因此，在5G网络中，扁平化IP结构将扮演着至关重要的角色。

所谓的全IP网络就是3GPP系统的升级，它极大地满足了现代无线通信的需求。

为了满足用户通过无线网络获取即时数据应用的需求，无线运营商将提供扁平化IP网络结构，首先要做的是把精力放到数据包转换技术的提升上。

全IP网络将会提供一个持续的革新方案和优化方案，使运营商在产品的性价比方面更具有竞争性。

扁平化IP的优点有以下5点：
●更少的支出。

●全球性无缝链接。

●更好的用户体验。

●减少系统延迟。

●核心网络进化。

对于全IP网络，驱使其发展的核心是要提供严格的IP化设备与终端，这就要求我们大力发展多核技术。

同时，在网络基础建设不断发展的过程中，也要求运营商提供更好的有线与无线通信服务，来满足快速发展的网络需求。

4. 5G中OSI模型简述
5G技术的移动设备将能支持多种无线网络，因此网络层将分为两个子层，对于移动终端来说，属于上级网络层，对于接口来说，属于下级网络层，这是互联网的初始设计，所有的路径都有IP地址为基础，根据不同的IP地址来区分网络中的不同终端与设备。

在无线领域，越高的比特率会引起更高的损耗，在5G无线通信技术中，损耗是由开放式传输协议(OpenTransport Protoco1)来控制的。

同时，5G网络中的传输层和对话层也支持这个协议。

对于不用的网络协议，应用层提供的服务管理的质量也不同(见表1)。

对于5G来说，最重要的表现在于双向超大带宽、拥塞少、平等的网络利用率、lGbit ／s的连接速度(见表2)。

表1 开放系统互连(OS1)模型实现
表2 5G通信技术简介
5. 射束分割多址技术(BDMA)在5G中的应用
移动通信的目的是让更少的话费享受更先进、更多样化的通信服务。

由于有限的频率范围，为用户提供更多的系统空间和高质量的服务势必会给无线通信带来巨大的挑战。

应对这个挑战的方法就在于如何利用有限的频率与时隙，而多址技术能很好地完成了这个目的。

目前，多址技术包括频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、正交频分多址(OFDMA)，具体如下：
●频分多址：就是分割频率资源并将其分配给不同的移动台，同时允许提供多个信道地址。

●时分多址：就是分割时隙资源并将其分配给不同的移动台，同时允许提供多个信道地址。

●码分多址：就是将正交码分配给不同的移动台，并允许提供多个信道地址。

●正交频分多址：就是分割并分配正交频率资源，以最大化资源功效。

在移动通信系统中，因为有限的频率资源与时隙资源被分割，并被不同的用户使用，所以有限的频率与时隙决定了移动通信系统的容量。

所以，不断地增加移动基站数量与各自基站的数据量是未来网络建设的趋势。

但是，由于频率与时隙资源的有限
陛，这就要求我们必须发展新的技术，而这种技术并不是通过频率与时隙资源来实现系统容量增加的。

5.1. 射束分割多址的概念
当基站与移动台之间产生通信连接时，一个正交的射束就会被分配给每一个移动台。

目前的射束分割多址技术主要内容是根据移动台的位置，将一个天线射束分割，并允许移动台提供多个信道，这样会有效地提高系统的容量。

当移动台与某个基站清楚地明确彼此的位置的时候，它们就会在同一瞄准线上，这样，就可以通过直接传输射束到彼此的位置上来进行通信，这样可以避免干扰小区内其他移动台。

当不同的移动台跟基站形成不同的方向角时，基站会根据不同的方向角同时发送射束来实现对不同的移动站发送数据。

任何一个移动站不能利用唯一的一个射束，但是可以与其他相似角度的移动站分享同一个射束来实现与基站的通信连接。

这些分享同一个射束的移动站被分割成同样的频率与时隙资源，并利用同样的正交资源。

根据不同的移动站的通信环境，基站可以更好地改变射束的方向、数量和带宽。

射束可以被分割成三维，这样，频率与时隙资源的空间将被最大化的利用。

在通信建立的初始化阶段，基站与移动站并不知道彼此的位置，这时移动站将会探测它们的位置和移动速度，并将探测到的位置与移动速度传送给基站。

接着，基站会根据移动站传输来的数据计算出一个下行射束的方向与带宽。

随后，基站将根据计算出的方向与带宽将这个下行射束发送到之前提供信息的移动站上。

当移动基站接收到这个计算过方向和带宽的下行射束时，它会追踪这个下行射束的方向，并根据这个方向产生一个上行射束，然后按着这个方向传送这个上行射束。

当移动站产生上行射束后，在移动站与基站之间会形成一个周期性的射束传输系统。

6. 5G的应用
随着目前电子制造业与软件业的快速发展，越来越多的革新产品层出不穷，此时通信行业不仅要提供优越的服务，更要提供高质量的通信网络环境。

现代通信不但要满足日常的语音与短信业务，还要提供强大的数据业务。

5G技术的发展可以给客户带来的最直的观感就是高速度、高兼容性。

6.1. 5G的高速度
根据目前4G中TD．LTE的官方统计数据来看，TD—LTE可以带来40Mbi~s的下载速度，这样的速度可以满足高清视频，高质量的音乐等大数据量传输的数据业务。

而5G的下载速度可以达到3．6G／s，也就是28．8Gbifs。

就目前市面上的硬盘读写速度来说，普通的硬盘读写速度达到了100M／s，而所谓突破了读写瓶颈的固态硬盘的读写速度达到了250M／s。

可以看出，5G的速度远远超过了硬盘的读写速度，这意味着，传统的储存设备将在5G网络中失去位置。

我们可以做个大胆的假设，未来的移动终端是没有储存设备的，所有储存将通过“云技术”实现。

同样，从新型的4k显像技术来看，未来的视频像素将达到超视网膜的显示程度，这必然将视频的数据大小提高到新的程度，所以对于在线视频观看的要求就要更高，3．6G ／s的下载速度可以完全满足这样高清视频的在线应用。

下面介绍几个具体应用。

(1)5G高速度在安卓系统(Android)的应用
安卓系统是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备(如智能手机和平板电脑)。

Android的系统架构和其操作系统一样，采用了分层的架构。

从架构看(见表3)，Android分为4个层，从高层到低层分别是应用程序层、
应用程序框架层、系统运行库层和系统内核层。

其中，在系统内核层中可以运用5G 纳米核心技术，来完成Android基础文件与硬件驱动的完美分离。

由于5G高速无线传输的特点可以无缝隙地将硬件驱动从云储存端同步于终端，不但节省了终端的储存空间，也极大地丰富了终端的硬件外设装置。

表3 Android架构
由于安卓系统本身的开放性会导致安全性的降低，这往往对通信中的保密性要求带来考验，5G纳米技术中的高保密性可以通过量子密码学的相关加密，对安卓终端在通讯中的信息泄露形成保护。

(2)光场相机
光场相机就是一种可以先拍照后对焦的照相设备，通过光场技术的应用，拍照的时候只需要构图即可，不需要对焦(因为这个可以在拍照完后在电脑上对焦)，这将会改变现在的拍照习惯。

而这类相机将成为抓拍利器：无论抓拍的照片模糊与否，只要在相机的焦距范围内，对焦点都可以在拍完之后随意选择，因为相机在拍照的时候就已经把焦距范围内所有光学信息都记录在内了。

因此，光场照片的容量将极大，一张照片可达到200—500M左右，这需要强大的传输速度与储存空间作为支持，
5G的高速和云存储的概念将大大满足需求。

该类产品对于将来的安防监控工作也会产生巨大作用。

对于用户来说，5G技术将提供更多的储存空间与安全服务；对于营运商来说，5G终端将带来更多的数据业务。

6.2. 5G的高兼容性
5G作为未来通信发展的趋势，势必承担着统一通信行业的重任，根据5G技术的设计方向，将来的5G技术是一个可以囊括4G、3G、2G中所有通信协议以及Wi．Fi、NFC、BLUETOOTH等无线通信技术的全能通信平台。

高兼容性的通信平台不但为运营商及设备商提供了更好的资源整合解决方案，大量地节约资本开支，更能大幅减少维护成本。

6.2.1. 利用5G高兼容性实现比特币应用
随着NFC(近距离无线技术)等无接触技术的广泛使用，5G技术更能满足高兼容性、安全的支付方式，由此衍生出的一系列概念型产品也将慢慢受到世界各国金融界的认可，比特币就是其中一个代表。

比特币是一种由开源的P2P软件产生的电子货币，是一种网络虚拟货币。

比特币不依靠特定货币机构发行，而是通过特定算法的大量计算产生。

比特币经济使用整个P2P网络中众多节点构成的分布式数据库来确认并记录所有的交易行为，P2P的去中心化特性与算法本身可以确保无法通过大量制造比特币来人为操控币值。

比特币作为一种虚拟货币，慢慢被世界认可，并带有了自身价值。

随着全球经济一体化，比特币为世界经济贸易提供了一个新的支付平台与方式。

5G通信技术的安全、兼容性，可以为比特币的交易提供一个有力的保障。

7. 结束语
5G通信技术的研发，势必给通信行业带来新一代的革新。

根据目前中国运营商的运营收入成分来看，大多集中于语音、SMS服务上，所谓的高速数据服务还在一个相对缓慢的发展期，即将商业化的4G通信技术将会有效地缓解运营商资本支出与收入不匹配的尴尬境遇。

但是，随着网络的日益强大，用户对网络的要求也更高，5G 的研发与发展也被业内重视起来。

5G通信技术带来的不仅仅是高速、安全的网络，更多地是带来全球化网络的无缝连接，5G的兼容性，给各国通信行业带来了一个新的平台。

在平等的条件下，中国的营运商如何提高服务，如何合理地建设网络、调整运营策略，就变成了新的挑战和任务。

5G的兼容性也可以把终端生产厂商统一到一个平台上，不同制式、规格的无线终端将被集成，这为全球的通信发展制定了统一的道路。

在5G通信技术发展的道路上，中国可以更好地引领世界经济共同发展，更好地同步信息，促进全球经济一体化。

5G的未来对军事、医疗、建筑、教育等各个方面都会带来前所未有的信息便利，整个世界将建成更加智能、完善的移动网络。