5G移动通信技术发展与应用趋势

张巾莹 马 丹

（中国联合网络通信有限公司山东省分公司，山东 济南 250000）

一、5G移动通信概述及特点

1.5G移动通信概念

移动通信技术是达成各用户之间通信的无线通信现代化技术。5G无线移动通信，相比以往几代更兼具高速率、低延时、大量设备连接的明显优点，使通信网络运行速率可达10—20Gbit/s，下载速率提升至1.25GB/s的网络基础设施。5G蜂窝网络在各行各业起着重要作用，为生活的智能化、数字化提供了技术基础。

2.5G移动通信的发展意义

5G移动通信发展促进着大数据、云计算、工业互联网、人工智能等行业的发展，使通信工程向万物互联迈进。5G通信的发展使得大文件传输更为快速、可靠，带来了极好的用户体验，形成更为低延时的实时监控、远程控制、自动化驾驶、VR技术，促进着智能城市、智能家居等生活数字化、智能化。

3.5G移动通信的特征

5G移动通信使用的高频率无线电波使得5G相较4G拥有更快的速度，很小的延迟困扰和更加海量的设备连接能力，使得用户体验率1Gbps，下载大文件只需秒级单位，时延更是低至毫秒级，在实时性要求比较高的远程操控下都毫不逊色，高达100万连接/平方公里的用户连接能力更是物联网在生活中普及的必要基础。

3.1 高速率

我国目前的移动通信主要使用电波，光波通信还有待发展，而电波和光波都属于电磁波，根据c=λ·v，在移动通信中使用的频率越高，频宽就越大，从而速度就越快，5G之所以比4G快，就是因为使用了更高的频率，但是高频率，也意味着衰减更大，传输距离变短、覆盖距离减弱，这也影响的移动通信的发展。而且5G时代下，D2D的模式，使得两用户通信数据不用再经过基站转发，这也是5G更快的原因之一。

3.2 低延时

4G技术的时延是30—50ms，而5G的时延只有1ms，它们差距差不多是30—50倍。5G通信可以通过一定配置，去除在无线通信时延占比不小的调度请求，只要数据到，就分配发送时间和无线资源发送给用户，这就是5G移动通信延时更低的原因之一。而且，相比4G，5G更大的频宽使得它一个slot的时长成比例下降，即其调度周期能变得更短，这也是5G移动通信延时更低的原因。

3.3 大连接

4G的每平方公里的最大连接数是1万，而5G每平方公里的最大连接数的100万，它们的差距大约是100倍。5G通信的大连接数，为移动设备的大规模连接提供了可能，智能家居、自动化工业等将会让我们的生活更加方便快捷，提高社会生产力[1]。

二、5G移动通信下的若干关键技术

1.智能化技术

智能化技术的引入，使得5G通信技术的判断更为准确，降低工作失误率，极大地提高了通信传输中的可靠性和安全性。由于5G高频率造成的覆盖范围更低，需要更多的基站建设，这使得5G的网络规模和复杂程度大大提高，将5G和人工智能相结合能够通过大数据模拟分配基站个数和位置的最优解。而且5G网络拓扑复杂、基站资源和调度分配繁复，通过智能化，自动生成最佳策略，能够更少地降低5G通信的部署和运维成本。通过算法学习和海量数据，人工智能在网络预测方面也将会有突出作用。况且，随着网络技术的快速发展，5G通信也将面临更加严峻的安全隐患，各类病毒、木马、蠕虫、漏洞等将会带来更为严重的安全问题，运用在5G通信中的人工智能还能够一定程度上保障通信中的安全性和可靠性。而要实现5G通信的智能化，就要解决人工智能在网络和通信中的数据收集和储存、无线AI算法以及实现这个算法的架构、接口和流程等问题。其中数据收集和储存问题，需要考虑人工智能如何抓取辨别需要的数据信息、如何设计数据库。而AI算法需关注如何充分编写人工智能的感知、分析、推理、预测，使其在大数据中进行机械学习。在算法架构中，需使人工智能能够结合计算能力及数据传输速率、复杂的网络拓扑和传输资源，对移动通信进行统筹安排，以实现智能负载均衡。

2.全面传输技术

5G移动通信通过分段路由保证移动点在覆盖范围内的可靠数据传输，而全面传输技术有助于多文件并行传输、大规模移动点的有效连接等。而通过大规模MIMO系统，即在发送端和接收端使用多个发送天线和个接收天线，大大提高系统容量和频谱利用率，使每平方公里的最大连接数达到了4G时的100倍，但是增加天线的个数也会提升电路系统的复杂程度。5G也可以进行同时同频全双工数据传输，提高了数据传输效率。5G移动通信连接设备数大、高速低时等特征和全面传输技术的结合，为大规模的物联网连接提供了技术基础。而D2D技术可以很大范围内减少4G通信时的流量浪费，提高通信质量，降低移动点距离问题对数据传输的影响。在数据传输过程中，用户数据将并行发向多个基点，也增加了移动通信的可靠性。同时宏观上，一个移动点可以同时传送多个文件数据给另一个移动点或多个移动点，实现传输的并行操作。

3.密集网络技术

密集网络技术指通过建立小基站，即家庭基站、微基站、微微基站、个人基站等，和添加宏基站外部设备，以相比宏基站更少的成本实现5G移动通信的更大范围覆盖。密集网络技术是解决为了提高通信速率而增大电波频率导致覆盖范围变小问题的一大关键技术手段，在增加基站数量、保证覆盖范围的同时，减少了成本花销。且小基站还具有体积小、易安装、离用户更近从而信号更好等优点，这类电磁波是不会对人体健康产生危害的。超密集网技可以大大提高数据流量，甚至达到4G的1000倍以上，很大程度上降低耗能，解决网络延迟困扰，增加移动通信的质量。但由于宏微异构组网下小基站与小基站之间可能出现非连续覆盖的问题，宏基站需要根据实际的网络拓扑情况，将用户终端和多个无线网络节点同时连接，其中不同的无线网络节点可能有不同的无线接入技术，所以在连接时需要使用多连接网络技术。随着人们对数据流量需求的急剧增长，密集网络技术将会在较长一段时间类保持在移动通信技术中的重要地位。

4.毫米波通信技术

对于电波而言，频率越高，波长越低。5G移动通信为提高熟虑而使用的高频率电波也注定了其低波长技术的发展。其中由国际5G移动通信30—300GHz频率，可推算出其波长介于1—10毫米的，可见5G移动通信使用的是毫米波。其中毫米波的超高频率极大减少了信号干扰，更大带宽增加了数据传输速度，但是同时也减少了传播距离，为此在使用毫米波通信技术的同时需要密集网络技术、MIMO技术等的辅助。可用带宽大、速率快，小型化的天线设备等是毫米波移动通信的突出特征。但是目前毫米波通信技术还是主要用于点对点数据传输、限制了用户数量的局域网、禁止的多用户传输的MAC协议，对于多用的协调的研究还没能更近一步。毫米波通信技术的电波高频率也使5G移动通信时耗能更多，在实现虚拟现实，3D观影、高分辨率的视频传播同时，提高了对数据流量的使用。这也是目前5G流量比4G流量费用更贵一些的原因之一[2]。

三、5G移动通信的发展趋势

1.智能交互

5G移动通信的高速率、低延时、大连接，使得曾经计算机、手机、智能家电等形成的信息孤岛被打破，结合大数据分析和人工智能技术，实现智能化的交互。

1.1智能家居

5G移动通信极大促进虚拟现实、裸眼3D、高清视频播放等领域的技术改革，这些技术改革能极大改善虚拟游戏和视频直播的交互感。5G的大连接特点增大了家居智能化的覆盖范围，其更高的可靠性，保障了智能中控系统对其他智能家居的控制，大大提高用户的体验感，为智能家居行业带来了极大的发展动力，使房屋全部智能化成为可能。使家庭影院、背景音乐等家居为用户带去极致的感官享受，其中发展的智能安防报警系统将会为社会治安带来更高的保障，智能锁、智能窗帘、智能照明灯更是为用户带来了便利和省心。但是，房屋的智能化、网络化，对系统以及5G移动通信提出了很高的安全要求，这也将是5G移动通信在智能交互方面的一大重要难题。

1.2工业生产自动化

首先5G的高可靠性和安全性、低延时为工厂提供了工业自动化控制的实现可能，即闭环控制系统，同时移动连接的广覆盖和深覆盖，以及5G移动通信可待开发的海量连接数也为全流程化的物流追踪提供了技术支撑。今后的工业生产自动化中，可运用5G移动，对工业流程进行全流程监控，通过连接为生产机器设定算法，实现全机器化无人工操作，还可以投放机器人进行货物运输或一些智能操作。由此可见，5G移动通信在未来的智能化工厂中将起着至关重要的作用。

1.3智能城市

在5G时代，5G移动网络将成为数字化智能城市的必要基础。城市将使用智能电网，目前的电力自动化系统自动程度还比较低，但5G时代时的智能电网，可通过人工智能合理统筹规划调度电流，均衡负载，进行智能分布式自动控电、毫秒级精准负荷控制、智能信息收集和存储。城市的交通也会偏向智能化，可以通过道路上的监控探头，采集分析各道路的人流情况，对红绿灯的时间进行控制，以达到人流和车流的分布的最优解。同时，街上将会出现连接5G移动网络的智能机器人进行治安管控。

2.生活云端化

云计算是将海量的数据通过网络“云”进行存储，经过计算分析之后再反馈给用户，用户不用花费额外财力在物理服务器的布置上，通过向网络上的运营商支付较少的佣金就可以拥有一个“云”服务器。4G网络时期云计算技术发展已经为生活的云端化打下了坚实的基础。而5G时代，云计算将会有更大的发展。首先，前端直接和物理服务器的交互周期，低延时的5G移动通信可以大大提高网络速度，使前端和云上服务器的交互时间更短还能保障数据的实时更新，而物理服务器的搭建成本又更高，这将促进云计算行业的又一发展。其次，储存生活各类信息的数据库是非常庞大的，在速率和可靠性都较高的5G技术下，相比自已建立服务器，使用云服务器显然更为方便划算。在5G云端生活时代，智能家居、智能城市的各类设备数据、网络数据，个人数据等大多将存储在云服务器上，云服务器的海量存储空间也将为大数据分析技术和人工智能技术提供数据支撑。云服务器将会取代传统移动硬盘，使虚拟资源携带获取方便且快捷。随着移动设备和万物互联的发展，实现移动云也成了可能。在云端化的生活中，可以通过网络查看交通实时，建立智慧社区系统，在网上对生活的走向进行预约，通过云端完成政务办理，管理水电气，各类大会通过云端举办，因为5G移动通信下的高质量直播视频或者裸眼3D等，我们也犹如身临其境。5G是云计算行业繁荣和发展的必要条件，同时生活的云端化对移动通信流量提出的更深层次需求也是5G升级发展的又一动力，5G通信技术必将在生活的云端化中得到进一步突破。

3.万物互联

随着拥有高速率和可靠性、低延时和干扰、海量设备连接等特征的5G移动通信发展完善，物联网行业将可预见的蓬勃生长。实时地采集需要网络的低延时和高速度，大规模的万物互联需要通过有很高用户连接能力的蜂窝网络对物物进行连接，而5G为物联网提供了绝佳的发展条件。加之人工智能在5G时代进一步发展，配合人类需求调度着连接起来的物联网世界，云端为人工智能的机械学习和大数据分析提供材料，任何信息孤点被连接起来，最终实现万物互联，人们将生活在一个无人机、智能家居、公共设备、机器人、各类系统相互感知，人工智能无处不在的世界。但是要实现万物互联还有以下几个问题有待解决。第一，大规模的移动终端连接必然会产生大量的数据流量消耗，若要实现万物互联，就必然要找到满足如此巨大的流量消耗的途径；第二，大量的设备连接必然会影响网络的运行速度，所以，在提高网络速度的同时还需要找到精准复合控制算法，保证远程医疗、智能化自动驾车等延时要求极高的部分能调度到足够的带宽；第三，要开发能够适应和妥善管理如此庞大的万物互联世界的人工智能也是一大难题；第四，网络安全问题将是万物互联时代的重中之重，处理好个体安全和整个网络系统安全的关系是十分必要的，为了减少停电或网络瘫痪等情况的危害，备用系统的设置也很有必要[3]。

结语

在这个大数据时代，随着我们的社会越来越网络化、数字化、智能化，移动通信也在人们的生活中有了越来越重要的地位，5G移动通信技术促进着数字经济的发展，为一众互联网技术问题的突破提供了技术支撑，而各互联网行业发展对数据流量的需求也带动更多的人投入5G移动通信的研究之中。为了更舒适美好的智能数字生活，不断地完善和升级5G网络是十分必要的，这需要仁人志士们的共同努力。