5G通信技术与应用

发表时间:2019-07-23 18:09作者:电子科技大学 文光俊


2019年6月6日,5G商用牌照颁发,由此开启了中国5G商用元年。几代人艰苦奋斗33年,中国通信技术终于完成了从跟跑、并跑到领跑。但5G商用才刚开启,还未正式入大众生活。由此,大众可能对5G不太了解,本文旨在用最简洁的图文,不失严谨性地对5G做一个扼要的科普。


来源:Yole Développement

5G通信技术

什么是5G通信技术

与早期的2G、3G和4G移动网络一样,5G网络是一种数字蜂窝网络。蜂窝中的所有5G无线设备通过无线电波与蜂窝中的本地天线阵和低功率自动收发器(发射机和接收机)进行通信。5G网络的主要优势在于,数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络,最高可达10 Gbit/s,比当前的有线互联网要快,比先前的4G LTE蜂窝网络快100倍。另一个优点是较低的网络延迟(更快的响应时间),低于1毫秒,而4G为30-70毫秒。由于数据传输更快,5G网络将不仅仅为手机提供服务,而且还将成为一般性的家庭和办公网络提供商,与有线网络提供商竞争。

5G通信的关键技术


大规模天线阵列Massive MIMO)技术

传统通信方式是基站与手机间单天线到单天线的电磁波传播,而在波束成形技术中,基站拥有多根天线,可以自动调节各天线发射信号的相位,使其在手机接受点形成电磁波的叠加,从而达到提高接受信号强度的目的。

大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理,在基站端布置几十甚至上百根天线,对几十个目标接收机调制各自的波束,通过空间信号隔离,在同一频率资源上同时传输几十条信号。

MIMO技术的演进

非正交多址接入NOMA技术

NOMA是一种融合了3G的SIC和4G的OFDM的新技术,既克服了3G系统中的远近效应问题,又解决了4G系统中的同频干扰问题。NOMA是真正利用频域、时域、功率域的多用户复用技术。在发送端,NOMA采用功率复用(或功率分配)技术,使同一子信道上的不同用户信号功率按照相关算法分配,使得到达接收端的每个用户的信号功率不一样。在接收端,NOMA采用SIC技术,根据不同用户信号功率大小按照一定顺序进行干扰消除,达到区分不同用户的目的。

NOMA技术原理简图(来源:《邮电设计技术》)

认知无线电(CR技术

认知无线电的概念起源于1999年Joseph Mitolo博士的奠基性工作,其核心思想是CR具有学习能力,能与周围环境交互信息,以感知和利用该空间的可用频谱,并限制和降低冲突的发生。CR的学习能力是使它从概念走向实际情况的真正原因CR能感知外界环境,并使用人工智能技术从环境中学习,通过实时改变某些操作参数使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化,以达到任何时间任何地点的高度可靠通信。

使用认知无线电技术前(来源:NOKIA Research Center


使用认知无线电技术后(来源:NOKIA Research Center)

滤波器组多载波(FBMC)技术

作为正交频分复用技术OFDM的升级技术,滤波器组多载波(FBMC)被认为是未来无线通信中最具潜力的多载波技术之一。FBMC使用具有良好时频聚焦特性的滤波器,信号带外泄漏极低,用户间无需添加保护频带,有效提高了频谱利用率,并且FBMC不需要循环前缀也可以有效抵抗多径衰落。此外,FBMC基于非正交处理,不要求严格的信号同步,特别适用于异步通信场景,例如:上行非同步接入、认知无线电及多点协作(CoMP)等。

FBMC系统框图

超密集组网(UDN)技术

超密集组网(UDN)技术通过更加“密集化”的无线网络基础设施部署,在异构网络中引入超大规模低功率节点,满足了增强热点、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量的实际需要,打破了传统的扁平单层宏网络覆盖,使得多层立体异构网络(HetNet)应运而生。这样不仅可获得更高的频率复用效率,还能在局部热点区域实现百倍量级的系统容量提升。

UDN组网示意图(来源:华信咨询设计研究院)

、5G通信技术的应用场景

根据未来移动通信论坛发布的《5G白皮书》,从信息交互对象不同的角度划分,未来5G应用将涵盖三大类场景:增强移动宽带(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)和超可靠低时延(uRLLC)。



eMBB类业务追求人与人之间极致的通信体验,将成为发展重点。例如,基于VR虚拟现实的线下体验正逐渐成为热潮,在苹果的iPhone8发布会上进行了把多人AR模式作为游戏核心的演示。mMTC类业务将以现有技术为主进行拓展,主要是人与物之间的信息交互;uRLLC类业务以试点和产业培育为主。由于个人消费类终端的成熟度限制,预计5G发展初期,将以行业应用为主。


5G通信技术典型应用


5G网络不仅带来了高速率大宽带、低延时高可靠、低功耗大连接的网络环境,更有助于传统工业制造业改造,并使海量的机器通信实现"万物连接",影响到娱乐、制造、汽车、能源、医疗、交通、教育、养老等各个行业。


自动驾驶

自动驾驶被认为是最具前景的5G应用自谷歌2012年5月获得美国首个自动驾驶车辆许可证,自动驾驶迅速风靡全世界,传统车企、互联网巨头相继布局。然而,自动驾驶的发展过程始终伴随着“安全风险大”的诟病,特别是不久之前Uber的无人驾驶车辆事故,更让人对其产生了几多担忧。而5G通信技术具备庞大的带宽容量和接近零时延的特性,正在让自动驾驶照进现实。当前,已有不少企业推出5G自动驾驶应用方案。



智能电网


5G作为新一轮移动通信技术的发展方向可以更好地满足电网业务的安全性、可靠性和灵活性需求,实现差异化服务保障,进一步提升电网企业对自身业务的自主可控能力。用5G网络切片来承载电网业务,将运营商的网络资源以相互隔离的逻辑网络切片,按需提供给电网公司使用,满足电网不同业务对通信网络能力的差异化需求;同时兼顾高性能、高可靠、隔离和低成本,成为智能配电网的有效解决方案。

无人机高清视频传输

5G无人机可实现高清视频的传输,应用前景广阔。中国电信就与华为合作,在深圳完成5G无人机首飞试验及巡检业务演示,成功实现了无人机360度全景4K高清视频的实时5G网络传输。远端操控人员获得第一视角VR体验,通过毫秒级低时延5G网络,进行无人机远程敏捷控制,完成巡检任务。


超级救护车



医学上挽救生命必须分秒必争,未来5G带来的毫秒级速度无疑是医疗救援的强心剂。5G的高速率传输节省了急救的关键时间,也为更好利用“紧急窗口”给出了创新思路。CT、X射线扫描仪等医疗影像仪器,不仅可以被运用到救护车的院前急救中,还可以搭载上高速率传输的人工智能系统,辅助医生判断患者病情,在一定程度上缓解急救压力。以5G急救车为基础,配合人工智能、AR、VR和无人机等应用,打造全方位医疗急救体系。

5G技术在VR/AR中的应用


5G通信技术助推AR/VR产业快速发展

AR和VR一直被行业公认为是5G时代最值得期待的应用场景之一,5G高通信速率、超低延迟、高连接密度等特点能满足VR/AR对高带宽(100 Mbps+)、低延时(1-10 ms)指标的要求,带给消费者更好的视觉感官体验,并反过来促进VR/AR应用的大范围推广。

(1)由于5G的高传输速率,有利于8K及以上的超高清内容实时传输和播放,这将有效解决当前AR/VR因网络传输速率低所导致的内容质量不佳、画面不清晰问题,从而极大提升用户的沉浸感和使用体验。

(2)5G缩减了网络时延,扩大了网络容量,有效解决玩游戏时的头晕问题,大大改善游戏体验。


云VR将本地主机设备云化,在云上进行维护和升级,解除了复杂设备运维的后顾之忧;云端弹性的计算能力和存储空间允许按需购买、灵活升级,极大降低了体验馆的初期建设成本。

、总结

5G技术让智能的万物能够互联,实现了大规模机器间的相互通信,5G通信的三大技术特点与VR/AR多种模式进行融合,带来不同领域的新体验,比如VR直播、VR/AR电竞、AR医疗等。随着5G的落地,VR/AR将与各个行业联系在一起,创造更大的商业价值。



但由于VR/AR技术对无线网络传输时延、可靠性、带宽、移动性等性能的有很高需求,5G技术也将会面临:VR视频的处理与传输技术、压缩传输算法的改进与优化、5G关键传输技术与网络架构的应用等等挑战

基于5G的VR/AR传输技术主要会以用户体验为发展主线,增强沉浸感;向大带宽、低时延、高容量、多业务隔离的发展!



分享到: