【5G的通信技术及应用9700字（论文）】

第1章引言目前，我国5G基站建设已。经全面展开，为了满足5G对通信基站数量和质量的要求，电网企业开始大规模地使用输电铁塔进行基站建设工作，不仅提高了城市的公共土地利用率，而且还减少了电力铁塔的占用面积，为5G的快速发展奠定了基础；由于我国是一个农业大国，为了更好地服务于国家经济发展战略和人民群众日常生活需求，近年来我国政府提出了要加强农村地区信息化基础设施的建设。5G时代的到来使得这一目标实现变得更加容易。另外，“一塔（杆）多用”能够节约大量的土地资源，减少对环境的污染，同时还可以节省大量的资金用于建设更多的通信基站和绿化等设施来满足5G基站的需求。其次，促进了电网企业之间的合作与交流，实现了电网企业间的协同发展和5G的共建共享，提高了电网企业的企业竞争力，使国家电网真正成为世界一流的能源互联网企业，实现了共建共享。本文通过对国家电网发展现状进行分析研究，结合国家电网提出的“平台型、生态型、共享型”以及“泛在电力物联化”等战略要求，以建设“电力网、智能电网”为主线，推动国家电网向能源互联网企业转型升级，加快构建以数据为中心、以应用为导向、以安全为保障的新型共建共享的能源互联网企业；国家电网公司董事长舒印彪指出：“要实现这个目标，关键是要加快推进“三集五大”体系建设，把“两网合一”作为重要内容来抓。作为电网企业发展方向之一的泛在电力物联指智能电网技术，其目标是构建以电网核心枢纽平台为中心，具有高度隔离性和智慧概念的综合能源系统。电网企业在5G共建共享中面临着诸多挑战和机遇。本文首先介绍了国内外关于共建共享部署方案研究所取得的成果和存在的问题，以及5G通信给电网企业带来的机遇与挑战；电网企业要想实现快速发展，就必须积极地融入到5G中去。而当前，5G发展单靠自身发展经营并不能实现快速发展，必须通过和各产业共建共享才能加快我国5G的发展步伐，与此同时共建共享还是当前产业发展的主要趋势。电网企业还需参与5G共建共享以提高自身企业效益与效率，实现合则两利新型合作方式。最后对未来5G技术如何更好地服务电网企业提出了建议。本文以国家电网公司为例分析了电网企业在5G时代下面临着哪些挑战和机遇。并结合当前实际情况给出相应的应对策略。5G的迅猛发展能够为电网企业提供诸多技术性支持，同时电网企业众多基础设施也能够对5G共建共享起到巨大助力作用。第2章5G无线通信关键技术2.1网络切片技术网络切片技术就是会按照SDN/NFV技术，来达到把一个物理网络切分成许多点与点之间的逻辑网络。为了能够让各个用户之间可以进行通信和共享资源，需要对每个逻辑网络进行划分并建立相应的网络拓扑结构。网络切片按照其功能分为核心网切片、承载网切片以及边缘层切片三类。每个节点对应一个逻辑网络，这些节点之间通过一定的方式连接在一起形成了一个逻辑网络，这个逻辑网络可以为用户提供服务。网络切片架构如图2-1所示，它采用虚拟化的方式将控制面与用户面进行分离（CU分开），并以可编排的形式进行部署，具有功能模块化的特点。由于接入网子切片具有很高的灵活性，所以在5G中得到广泛应用。其中接入网子切片有两种类型：基于NFV的VLAN型接入方式以及基于SDN的虚拟专网接入方式。图2-1切片概念架构2.2多天线传输MIMO2.2.1MIMO实现原理由于每个天线具有不同的工作模式，能够达到对信道进行有效管理的目的。MIMO技术就是利用无线信道多径传播的特点，实现多种数据信号同频段传输。因此，MIMO技术越来越受到人们的重视。如图2-2中所显示的那样，富含散射环境为空间多样性以及富含多径分量提供了可能。图2-2MIMO系统框图（1）空间复用图2-3空间复用原理图与传统的无线传输方式相比，MIMO技术具有更高的数据速率、更好的抗多径效应能力等优势。见图2-3，MIMO技术把空间分割成若干个相互独立的MIMO子信道并在相同频段内传输若干信号以增强频谱利用率。因此，

MIMO技术能够在不改变系统总发射功率及带宽的情况下，提高频谱使用程度，改善系统容纳。（2）空间分集图2-4空间分集的原理图无线信道中存在着多种衰落现象：频率选择性衰落，路径损耗衰落，慢速衰落和快速衰落，这些现象使得无线信号可能会在接收端信噪比很低，从而影响到对信号的适当调试。本文以图2-4所示的典型场景为研究对象，利用空间分集技术对MIMO子信道进行分析和仿真。由于每个子信道都有其自身独特的传输特性，因此对同一信号而言，它可能会被不同的用户接收到；当一个用户从某个子信道接收到另一用户发送过来的信息时，由于该用户的信道容量较大，因此它的误比特率相对较小；反之，则其错误比增大。并在接收端对经过不同子信道发射的相同信号加以比对，即可正确还原发射信号。很明显，空间分集可通过减少信道误信率提高通信系统稳定性。2.2.2MIMO系统模型MIMO系统由单输入单输出(Single-InputSingle-Output，SISO)系统发展而来。如图2-5所示，SISO系统在发射端和接收端均仅有1根天线。图2-5SISO系统模型受无线信道衰落特性影响，

SISO系统存在抗干扰性不强、信道容量较低等不足。其次是单路输入多路输出（SIMO）以及多路输入单路输出（MISO），最后，

MIMO系统以其卓越的特性得到了广泛应用。然而，MIMO系统在通信过程中存在着严重得多址干扰问题。为了克服这一缺陷，本文提出一种新的多用户检测算法，即基于最大似然估计的自适应检测器。图2-6是MIMO系统的模型。图2-6MIMO系统模型综上所述，多天线传输MIMO技术对于5G通信技术至关重要。2.3D2D技术2.3.1D2D通信系统模型（1）同构网络同构移动蜂窝（D2D）网络架构：D2D通信在1个蜂窝小区内部仅有1个基站，各小区组织结构和通信模型大致相同，1个小区内部D2D通信可直接扩展到单蜂窝情况。这类无线网络称为同构网，它是一种新型无线接入技术。由于采用了新技术、新标准和新协议，使其具有许多独特优势。同构网络模型见图2-7。图2-7同构网络模型（2）异构网络异构移动蜂窝网络的小区由宏基站，微微基站以及多个微基站组成。其中，微基站放置于宏小区边缘，以增加用户系统可靠性及吞吐量。因此，对无线资源进行合理分配与调度具有十分重要的意义。本文首先介绍了异构无线网络建模方法的发展历程；然后分析并比较了几种常用的数学模型，最后指出了今后研究工作的重点。异构网络模型见图2-8。图2-8异构网络模型第五代（5G）网络会使用带有异构设备、QoS需求各异的智能环境。这使得每个设备都需要为每个业务提供相应的服务质量，即保证端到端时延、丢包率或吞吐量等关键性能指标；以及降低系统成本并提高可用性。与此同时，部分设备对于数据也有较高需求。因此，需要开发一个新的应用来支持诸如高清视频应用程序、在线游戏服务等这样的应用，这些应用可以通过使用更多的可用无线电频谱资源来达到数据速率和功耗最小化。2.3.2D2D关键技术1、模式切换D2D通信的模式主要有复用模式与专用模式两种。其中，专用模式又可分为非正交（UE），正交（OFDM）以及多载波调制等几种主要类型。而在这些不同的模式下，系统的性能会发生较大变化。复用模式在大多数D2D通信技术中都被选用作为研究方式，这是因为复用方式比专用方式在频谱使用上更为广泛。2、资源分配D2D通信中资源的复用方式分三种。如表2-1所示。表2-1D2D复用方式3、功率控制和干扰协调与P2P技术相比较，干扰协调作为D2D的一大优点，它的功能在于通过降低通信链路间的干扰以提高系统可靠性与用户通信质量，而功率控制就是为了减少同信道干扰带来的冲击，这两者在D2D中各自发挥作用以降低系统干扰。2.4边缘计算当前，对5G进行大范围部署存在诸多挑战，主要表现在寻址难度大，所需基站运营成本高，各种新技术应用多等。随着我国经济水平不断提升和社会信息化程度不断加深，人们对电力资源提出了更为严格的要求。因此，为了满足这一需求，电力行业必须加快建设速度来提高自身竞争力。采用边缘技术（MEC）能够降低核心网络传输负荷，减少移动业务延迟，提升服务质量与可靠性。（1）MEC系统简介在MEC中，移动边主机提供了存储，计算以及网络资源等功能，而向它连续存储时间相关信息的就是虚拟化基础设施。因此，MEC移动边缘机层的安全问题主要体现在：如何保护用户数据不被非法访问；如何保证设备间以及系统内不同服务之间的通信过程中的安全性等。

MEC移动边缘系统层有用户终端、与第三方服务门户。MEC网络层有3GPP，本地网络和外部网络等提供基本网络服务。图2-9MEC基本架构（2）边缘计算的优势：随着技术的发展和普及，越来越多的人开始关注到边缘计算这一新兴概念。由于它具有低成本、高扩展性以及高可用性等优点，目前已成为学术界研究的热点之一。边缘计算也增强了终端隐私数据保护力度，它通过把用户端数据存储到移动设备周围，而忽视了向用户上传数据这一环节，从而减少了网络上传用户数据所带来的泄露危机和网络上传输次数，极大程度地降低风险和增强数据隐私。第3章5G共建共享方案研究3.15G共建共享技术简介3.2.1网络共享特性简介MORAN和MOCN是在3GPP里被定义的两种RAN共享概念。如表3-1所示。表3-13.2.2电联基站共享方案（1）NSA共享场景如表3-2所示。表3-2a、4G单锚点锚单网4G锚点站采用共载频共享载波MOCN，5G载波采用共载频/分载频共享；b、4G单锚点锚双网4G锚点站采用分载频共享载波(MORAN）或分载频特别共享，5G载波采用共载频/分载频共享；c、NSA双锚点组网独立4G锚点站不共享，电联的4G锚点各自建设，5G载波采用共载频/分载频共享。（2）SA_NSA共存(含SA）共享场景如表3-3所示:表3-33.2.3电信、联通5G共建共享方案（1）三家运营商设备和数据互通由于5G协议是利用高频信号进行数据传输，因此各基站传输距离没有4G传输距离长，即单台5G基站覆盖半径要小许多倍，加之5G的发展正处在起步阶段，产业链刚健全，设备购置昂贵，人工安装费用大。因此，若3家运营商分别进行施工，5G的施工速度将减缓，且投资将大幅上升。当前全球范围内都希望大范围、高速度、高质量地推进5G网络建设工作，把握此次信息换代就等于把握了一次发展契机，所以三大运营商分别以高投入、低速度进行建设并不适应当前国际局势和人们的愿望。从长远来看，在5G时代到来之前，三大电信运营商还不能形成真正意义上的竞争格局。但是随着时间的推移，随着全球经济一体化趋势的不断加强，各国之间的联系越来越紧密。尤其是中国。因此，建设之初，三大运营商的设备与数据互通成为趋势。（2）5G建设NSA向SA演进图3-1无论是NSA/SA组网或SA组网，均要求双方运营商建设新的5G核心网。由于SA设备可直接改变于原4G设备中，为适应5G技术快速敷设的要求，5G施工前期3家都采取SA组网方式。SA组网能够充分利用已有资源，同时又能减少投资成本；与传统的SDH组网相比，SA组网具有更高的传输效率和网络可靠性，因而得到了广泛运用。但SA组网无法达到低延时，高带宽和广连接等特性，所以当5G覆盖率达到一定水平后，会逐渐采用NSA-SA双模组网形式代替已有SA组网形式，

NSA组网形式覆盖率达到一定水平且5G技术达到一定利润后，会逐渐取消SA组网形式而最终达到全NSA组网。3.2电网企业参与5G共建共享可行性3.3.1电网企业参与5G共建共享的背景据当前全国三大运营商招标数据显示，5G基站建设成本主要集中于土地面积、设备购买等方面，且基站位置通常与人口密度呈正相关关系，沿海城市、发达城市因人口基数过大、人均需求量较多，运营商所建基站密度将较大。所以电网企业能够为设备选址以及设备（例如杆塔）的采购提供所需要的资料，给移动运营商带来一些选址参考以及经济利益。而5G设备建设能够对电网企业起到反哺作用，有助于输配电网运行输送所需信息，从而使继电保护信息输送速度实现跨越式提升，提高电网企业的运行稳定性与安全性。所以5G技术应用也能渗透到电网企业每一个环节中，信号在电网中传输延时表示电网企业故障发生率高，对于稳定优先电网企业而言是能得到好处之一。同时跨行业合作也能为两大产业带来新动力与新机遇，一是移动通信运营商通过在电网设备周边建基站，能够得到较低价格的稳定用电，能够极大地降低后期运行成本。如果将其与互联网结合起来，会有许多优势：第一是能够为用户提供更为丰富多样的服务；第二能够提高客户满意度。第三是可以使整个系统更加安全可靠；第四是有利于环境保护等问题。二是电网企业能够得到更加廉价和高质量的移动通信网络（MFC），各设备之间以后可能会点对点地交换信息。3.3.2电网企业参与5G共建共享对双方的意义5G阶段开发已开始，5G通信要求速度快、规模大，要处理许多问题。未来在使用5G基站场所需求量非常大，而5G基站建设既要节约又要耗时，工作量非常之大。并且当前电网公司拥有5G通信设备负载所需的电力杆塔，在电网企业已有的海量杆塔资源优势下，电网企业能够走在参与5G共建共享工作的其他企业前面。电网企业在5G通信上搭建共享输电铁塔，实现通信基站共享，已成为各跨行业共建的样板。因此，本文主要探讨如何利用输电铁塔进行5G基站建设共享。首先分析了目前5G建设和运营中存在的一些问题；其次讨论了铁塔共享给供电企业带来的收益。最后提出相关建议。作为收益，5G公司的成长还将给电网企业带来诸多支持。5G技术能够让电力系统变得更加智能化，使得整个系统更加高效可靠；还能使用户获得更好的体验感。最后，它有助于促进我国电力工业的转型升级。可以说是一举多得。并且能够为电网企业提供诸多益处，能够借助5G高带宽，“一网多用，一塔多能，互通互联”能够降低新增基站所需公共土地资源，减少新建基站所需土地成本，同时还能响应国家和谐发展思想，实践国家农用耕地保护政策。这种互建社会基础设施，共享各自产业技术的新型模式正是我国当前所鼓励的共同进步模式，它将为今后其他产业的共建共享树立先驱，并在国内外跨行业之间资源共建共享中具有典型性。而随着电力体制改革的进一步深化以及市场竞争机制的逐步建立，“十三五”期间电力行业必将面临新一轮竞争与变革，这也给电力行业带来了机遇和挑战。随后，电力行业与通信行业将进一步研究更加简单、更加完善的具体协作细节，共同完成各取所需、各取所需的合作双赢新任务。对电网企业而言，5G的诞生将为智能电网带来跨越式发展，进而电网企业加入5G共建共享将为电网企业本身带来巨大技术支撑。未来5G通信具有泛在，高效，实时，安全的特点，这些特点对电网企业今后的发展提出了重要的要求。构建5G网络，将使电网公司的生态重新塑造。同时，当前时期人们对电力的需求量越来越大。这就要求电力企业要做好供电服务及保障措施，从而为广大用户提供优质可靠的电能。5G通信新技术运用于电网企业，将有助于电网企业更加方便和安全地开展工作，同时为电网业务形态的发展提供更大可能。总体来说，电网企业和5G两者互为补充、合则两利是对5G发展和电网企业实现合作双赢的计划，更是电网及5G今后发展的主要趋势。3.3电网企业与5G的发展融合目前我国5G技术已经有一定的发展基础，但与发达国家相比还存在一些问题。主要体现在：1.网络建设不完善；2.网络连接成本高；3.设备维护困难；4。将5G技术应用于上述场景，极大地加强了网络通信能力和运行效率，为网络智能化运行提供重要保障。3.1.15G电力虚拟专网提供可靠的无线接入5G网可对多种与网络有关的业务进行可靠无线通信接入。以“开放容量，公共网络专用，子域分散”为理念，利用电信运营商拥有的5G统一容量开放平台为电网提供满足其要求的5G虚拟专用电网管理与服务功能，该功能主要由5G电力切片功能，专用电网功能（例如UPF-MEC功能），电力通信终端功能，故障控制与定界功能及由操作SLA迅速恢复故障功能组成。3.1.25G基站与变电站共建共享初步成果经5G基站与变电站共用后，收到良好的初步效果。本文从三个方面分析5G对未来电网发展带来的挑战：1.如何降低通信网络成本；2.如何提高供电可靠性；3.如何提升企业管理水平。3.1.3无人机巡检实时传输近年来国家电网为了减轻输电线路的巡检力度，开始了无人机监测业务的大范围普及。但是由于通信带宽受限，无法满足远程监控需求。因此，必须使用无线网络传输技术来解决上述问题。5G技术具有高数据速率、低时延等特性。3.1.4智能运维提高电网运营效率高精度负控系统承载着多台终端融合时接入控制网络建设成本高、建设难度大等问题，当点上被测对象完成5G时延指标检测、无线专网检测超出指标要求后，可认为具备实现条件。江苏电力作为省级试点省份之一，已将5G应用于电力系统生产管控领域进行了初步实践，积累了丰富的经验。3.4基于共建共享的电力5G组网和多业务承载方案5G的建设需要大量的资金，联合建设与共享有利于优化资源分配、盘活固定资产、节约能源、减少排放等。本文首先介绍了5G与物联网相关技术研究现状，然后分析了物联网在5G中应用场景，最后提出了基于5G及物联网技术的物联网网络共建共享方案。为后续研究提供参考依据。3.4.1将电力物联网与运营商物联网平台连接基于电力生产控制区域（VPN）与管理信息区域（SIS）业务数据可划分为运营商侧VPN，按照物理隔离方式接入不同功率安全区域。根据对业务通的要求，每一大区都被划分为若干业务部分。在业务方面，电力业务主要包括电力生产控制，电能计量，配电监控等业务；在管理方面，则涉及了调度自动化，GIS及视频监控等业务。这些业务均采用5G技术实现。电力业务数据需在运营商核心网络侧传输与储存，目前主要依赖公共网络5G安全措施保障电力业务隔离与网络服务质量，数据安全性与服务可靠性无法得到充分保障。在数据流管理方面，首先将物联网电力导入中间数据库，再输入实时数据表及触发器操作数据表，中间表数据库包含中间数据引发的信息，最后经过发送到物联网运营商通信流程读取中间表信息。这种方式可以有效地防止由于数据量过大或者过小造成的错误。发送时，每条数据具有标记位，用于对数据状态以及数据源进行标记。认为电力业务数据从运营商平台向电力平台传送前，其间可能含有大量冗余数据，这些冗余数据极有可能造成运营商一侧专用线路网络拥塞。为了解决这个问题，提出了基于IP核技术和反向缓存器技术的解决方案。IP核可以提高业务数据传输的可靠性。但是，它也容易受到干扰。所以从业务数据流中间加入一个数据筛选反馈机制是非常重要的。电源至操作员数据流之间加入反向反馈装置负责对反馈信息进行实时更新和对操作员平台信息进行筛选。将前向反馈设备加入操作员向电源发送的数据流来申请过滤许可和将过滤结果反馈给电源侧。3.4.2将电力物联网与运营商核心网络连接基于以上研究成果提出了一种适用于城市环境下的新型电力数据网架构及相应的组网方式。首先采用SDN技术将电力数据网划分为多个控制平面。通过防火墙，用户的数据直接访问物联网平台。相对于组网方案一，减少了通信路径和时延。此外，该技术还能够解决5G网络的安全问题。基于物联网的智能用电管理系统设计。本系统包括两个部分：一是基于物联网的电力终端；二是基于物联网的电网。数据只在运营商核心网络中流动，运营商不会对数据进行解析，进一步增强电力数据安全性。3.4.3将5G电气核心网与运营商基站连接这一解决方案已经得到了充分的发展，并且已经分享给运营商。电网企业还可租赁运营商基站，组建自身核心网络。为了满足这些需求，边缘云提供了一种新的架构：电力物联网（physicalnetwork，简称PMN）平台。PMN包括一个开放的，独立于运营商的边缘云系统。自建核心网络可通过自建网络开通开户、电源端子认证等业务，并可实现自建MEC平台业务数据闭环。服务片通过空中接口资源共享给运营商，并可完全靠自己的网络来承载及传递。在电气5G中建立核心网络可有两个方案：方案一通过运营商基站与电相连，并支持与运营商及电相连的全部4G及5G基站，从而建立5GSA。因为eMBB、mMTC、uRLLC等都会迁移至5G网络；第二个方案是以电气无线专用网为核心网络，按照3GPPRelease15NSANR的标准升级。与前一种方案相比，第三种方案具有更大的灵活性，能够更好地适应不同场景下对带宽、时延以及数据速率等方面的要求。但这三种技术均存在一定程度的局限性。因此需要进一步优化。在5G网络建设初期，可借4G基站实现5G网络服务的雏形。但从长远看，

5G

SA网络将成为今后必然趋势。在5G

SA核心网络中直接布放，对成本的长期控制更为有利。第4章总结与展望当前，对5G进行大范围部署存在诸多挑战，主要表现在寻址难度大，所需基站运营成本高，各种新技术应用多等。随着我国经济水平不断提升和社会信息化程度不断加深，人们对电力资源提出了更为严格的要求。因此，为了满足这一需求，电力行业必须加快建设速度来提高自身竞争力。与此同时，电网企业还面临技术革新的难题等等。而且共建共享较好地解决了双方存在的问题，并给双方今后的发展带来了更加广阔的前景。针对电网企业目前5G通信新技术的运用情况，对电网企业原有基础设施能够给5G发展提供的便利条件进行研究，论述电网企业加入5G共建共享工作的背景和重要意义，并对电网企业加入5G建设共享工作进行规划。通过该方案能够更好地促进5G技术与电网建设的深度融合和创新，实现“智慧能源”向“智能电网”转变。最后分析了实施过程中应注意的问题。本文所做的主要工作如下：主要工作如下：（1）对目前5G移动通信新技术进行研究，并深入研究D2D，

MIMO，网络切片和边缘计算等技术，深入研究其技术特点。（2）对目前5G共建共享方案进行介绍，并对其含义进行概述，论述电网企业加入5G共建共享方案中的可行性，引出双方共建共享的重要性。（3）归纳电网企业加入5G共建共享方案，并深刻认识电网企业加入5G共建共享给双方所带来的好处。文中，虽针对电网企业加入5G共建共享这一方案展开研究，但受笔者理论基础的限制，存在多方面的不足，对这一主题的思考还存在不足。因此，笔者在今后的工作当中还将不断地完善这一问题，希望可以为我国社会经济发展贡献出一份力量。包括电网企业加入5G共建共享方案讨论都是不全面的