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