5G移动通信技术下传输的未来发展趋势探析

郭亚平

（内蒙古自治区邮电规划设计院有限公司，内蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

互联网和计算机等技术的发展推动了通信技术的发展，无论是3G到4G的更新速度，还是5G技术的全新应用和性能，通信运营传输已经进入一个全面创新的时代。相对于传统业务中的信息资料和数据交流，5G技术在高新技术领域的应用促进了其性能的提升，功能更加全面。5G技术的普及应用对社会发展的意义重大，如果能够有效应对无线通信技术的现实缺陷，就可以实现移动互联向万物互联的有效转变，实现发展建设的一体化，提高效率，优化管理。

1 4G与5G通信技术的区别

4G-LTE是4G网络通信技术的统称。长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）在传统意义上称之为3.9G，2010年年末才被定义为4G技术。它拥有最大100 Mb/s的数据传输速率优势，成为现代通信从3G转变为4G的重要原因。4G-LTE由于传输速率的优势，在信息资源的交流过程中能够大幅提升工作效率。4G技术的数据传输速度是3G技术的数十倍，且4G通信终端能够提供不同种类的功能性服务，包括视频影像、网络社交以及在线游戏等。这类数据资源的传输能够通过应用4G技术大幅提升使用体验。此外，现代通信由于传输速率的提高，相对提高了信息对比和资料查阅的工作效率，也为个人身份与信息核对提供了便利。在播放视频影像的时候，传输速率影响着分辨率。提高传输速率有利于人们更加清晰流畅地观看节目和影片，对现代新媒体发展具有重要影响。4G-LTE技术基于传统通信技术不断发展而来。如果说传统通信技术是营造一个良好的无线通信环境，那么4G-LTE技术就是基于大环境提升了功能与体验，通过超高频率和超宽频宽构建了一个超高速的无线通信网络体系[1]。

5G技术与4G技术相比较，高速率的优越性已为大众熟知。5G的优势在于打破传统通信的现实局限性，实现基站传输技术的全面升级。2G、3G以及4G网络的传输流程是从数据端到信息网络的传输处理，涉及无线网、承载网以及核心网。5G在4G无线侧环节的升级，显著提升了从基站到手机的数据速率。大带宽提高了整个通信传输速率上限，相比最多能使用20 MHz带宽的4G通信网络，5G技术中的毫米波（Millimeter Wave）技术突破了4G的带宽上限，可应用的带宽达到了单个小区最大带宽上限100 MHz。在频谱共享（Spectrum Sharing Techniques，SSM）和大规模天线（Massive MIMO）技术的作用下，5G技术拥有更高的调制能力和更强的天线能力，且在其基础上提升了复用技术水平，加强了信息传输的频率利用率。例如，一辆3 m长的车，在60 m的路段最多能够容纳几辆车，是一个现实性问题。如果单纯从数学运算角度看，60 m的路段即使单纯停车也无法容纳20辆。考虑到行驶间距，实际数量应小于15辆。而提高频率利用率是使得行车间距在安全的前提下不断缩短，从而达到容纳更多车辆的目的。实际通信传输数据的带宽需要和前后频带上的其他业务数据保持一定的隔离带。5G采用了比4G更高级的复用技术F-OFDM（4G为OFDM），4G的隔离带要留10%，而5G只要留2%，因此有效数据的传输增加了9%左右。4G技术的理论峰值速率是100 Mb/s（TDD），5G技术基于带宽、调制、多天线以及频率利用率的增益相乘，能够实现约1.5 Gb/s的峰值速率[2]。

2 5G移动通信技术下的传输应用

5G技术在社会生活中并不会直接体现，考虑到无线技术的升级和基站建设，现阶段5G还不能够取代4G的商用和普及应用地位。但是，5G技术的快速、安全以及可靠通信等作用已经逐渐凸显。具体而言，5G技术标准实质上是基于未来协议R17进行细化区分的，其应用场景分为eMBB（大带宽业务）、uRLLC（低时延业务）以及mMTC（物联网业务）。eMBB大宽带业务主要指的是增强型移动端宽带技术升级，也就是针对以小区为群体单位所供应的通信服务上限进行升级，如VR/AR技术的升级，包括高清电视、语音通话、实时办公以及游戏等内容。uRLLC低延时业务是指提升低延时和大连接的高速率业务通信，如工业自动化、移动医疗以及即时导航。mMTC物联网业务基于物理体积较大的机器设备，融入智能化和自动化管理选项，具体如图1所示。

图1 物联网业务流程图

这3类通常需要单独的网络基础设施，以用于eMBB的传统小区服务、mMTC的LoRaWAN服务、Sigfox服务以及uRLLC的专用以太网/光纤链路等。5G技术使所有这些不同部分大体统一为一个网络结构，形成从数据端在中介信号站处理再传输给用户的通信网络向端与端之间的物联网集成式转变，降低无线网络技术功耗和范围的有限性影响。

虽然超可靠和低延迟通信是5G技术的主要特征，但实际真正投入商用服务的时间并不是先前相关研究机构预测的2020年。一方面，物质设施没有完全落实，工程建设规划和服务范围、费用以及设备等问题没有形成良好运作的商业体系。另一方面，5G技术的运营成本能否得到相匹配的收益，仍然要面向群体进行考虑。即使5G技术的应用是大势所趋，但是对于网络基础设施的大规模统一和扩展，5G数据基站和商用普及将改变传统数据通信传输的生态模式，仍然需要人们花费一定的时间进行适应。以VR/AR技术的应用为例，5G标准中的R17协议中有对5G网络如何适配XR应用进行的评估，即边缘云+轻量化终端的分布式架构是否能支撑XR应用场景。现阶段的VR设备是一个小型高端智能处理器，要想实现3D动态且具有CPU和图形处理能力，必须依赖于大量的数据运算和传输[3]。虽然名称为VR眼镜，但其整个负重不低于头盔的质量。5G这种集成式的应用就是利用网络的高速率和低时延特性，使CPU与GPU从物质设施中分离，上传至云端进行处理。所有的过程都在云端进行数据处理，利用5G技术的高速率达到即时传输，使得VR眼镜变成了单纯的显示装置，完全实现了轻量化。除此之外，视频流量、语音通话、高帧率游戏以及无人化人工智能管理都是基于时代需求和社会发展所发生的变革。

3 5G移动通信技术下传输的未来发展趋势

随着5G技术的商用性价值不断上升，5G专网这一概念打破了传统通信运营商对通信网络的垄断。未来发展中，在获取当地政府许可和拥有相关技术专利合法使用权的前提下，一个企业能够完全自建一个5G网络体系，从基站、承载网以及核心网的基础设施建设到运维和数据处理传输等管理模式都独自运作，甚至频率资源都是独有的。这种部署方式下，企业拥有自己完全独立的GNB（5G基站）、通信频率、核心网控制面/用户面、用户数据管理（UDM/5GC-CP/UPF）以及边缘计算服务器（MEC），完全与公网隔离，而且可以设置独立的数据基站建立双重通信，以拓宽渠道。其中的问题主要在于政府许可和独立频率的使用权，而通信设备和技术完全可以从相关企业中通过交易获取。以德国为例，它们世界领先的工业自动化生产线对这种需求极为强烈，且很多企业具有建立5G专网的实力资本。德国汽车大厂宝马、大众以及戴姆勒在内的很多工业巨头，均有意向在自家工厂产线部署和运营5G专网，且已经开始申请频率资源进行5G专网建设。截至2020年6月25日，已有50家德国企业获得了5G专网许可。运营商本身也需要从华为和爱立信等企业购买设备产品和技术的自主知识产权。5G专网的自主运营能够自行决定网络的质量，保障数据的可靠性、机密性以及实用性，提高工作效率，并且不妨碍与外部合作，还能与技术提供商和设备供应商等伙伴合作开放5G共建项目。

另一个发展趋势是需要运营商的参与。对于处于发展阶段的中小企业和普通群众来说，仍然需要借助通信运营商使用5G技术。5G专网完全没有任何企业专用设备，全部采用软隔离的方式，即企业不独立拥有任何基站和核心网设备，所有的设备都是与公网用户共享，再以网络切片的方式将企业用户的数据通过虚拟切片的形式在各个环节的流程设备中隔离处理。这种方式便于管理，日常运维成本低，有助于保证通信质量和效率，但无法保证隐私性和安全性。它的上限由通信运营商的技术部门决定，很难从中干预或自主管理。企业也可以选择与运营商深度合作，拥有独立的部分设备[4]。例如，将核心网的用户面网元UPF和边缘计算服务器这些适于本土化的设备留在本地，虽然某些网元不再独享，但是可以保证自身的数据不出厂，可以在本地处理，从而保障安全性、传输质量以及时延满足要求[5,6]。

4 结 论

世界各国都在不断钻研通信技术，其中5G通信技术是现阶段的主要内容。5G通信技术引用新体系结构，能够提高网络资源利用率，促进通信技术的智能化发展和我国经济的发展，不断满足人们和社会的需求。它能够根据实际情况挖掘资源，在多因素和多角度下进行合理分配，为人们的生活提供便捷，带来广阔的发展前景。文章基于5G技术的优势分析相关的通信传输应用，针对未来发展趋势做出简要判断，探讨了5G通信技术在5G专网这一概念中可能呈现的通信网络格局，分析了未来通信传输业务的主要发展方向。