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5G在物联网通信组网应用

5G即第五代移动通信标准。在移动通信领域,新的技术每十年就会出现一代,传输速 率也不断提升。第一代是模拟技术。第二代实现了数字化语音通信,如GSM、CDMA。第 三代3G技术以多媒体通信为特征,标准有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等。第四代 4G技术,标志着无线宽带时代的到来,其通信速率也得到了大大提升。5G是新一代信息通 信方向,5G实现了从移动互联网向物联网的拓展。由于5G的到来,未来增强现实、虚拟现 实、在线游戏和云桌面等设备上的传输速率将会得到极速提升。从性能角度来说,5G目标 是接近零时延、海量的设备连接,为用户提供的体验也将会更高。
5G在物联网通信组网应用(图1)
5G网络将开启新的频带资源,使用毫米波(26. 5〜300GHz)以提升速率。之前的毫米 波仅在卫星和雷达系统上应用;5G网络基站是大量小型基站,功耗比现在大型基站低,从 布局上来看,基站的天线规模大增,形成阵列,从而提升了移动网络容量,发送更多的信息; 5G采用网络功能虚拟化(NFV)和软件定义网络(SDN),第一次真正将智慧云和云端处理 的有价值的信息传输到智能设备端。届时,手机和计算机的应用水平将借力云端获得更强 大的处理能力,而不再局限于设备本身的配置。2017年5月在杭州举办的国际移动通信标准组织3GPP专业会议上,3GPP正式确认 5G核心网采用中国移动牵头并联合26家公司提出的SBA架构(Service-based architecture,基于服务的网络架构)作为统一的基础架构。这意味着5G借力云端获得了更 强大的处理能力,5G网络真正走向了开放化、服务化、软件化方向,将有利于实现5G与垂 直行业融合。基于服务的网络架构借鉴IT领域的“微服务”设计理念,将网络功能定义为  多个相对独立可被灵活调用的服务模块。以此为基础,运营商可以按照业务需求进行灵活 定制组网。
核心网设计等是5G整体系统的设计
顶层设计、无线网设计、核心网设计等是5G整体系统的设计,其中顶层设计和核心网 设计是系统架构的主要进行的标准项目,对5G系统架构、功能、接口关系、流程、漫游、与现 有网络共存关系等进行标准化。
芯片商、通信设备商以及电信运营商为了抢占5G话语权,都开始布局5G技术。3GPP 对5G定位是高性能、低延迟与高容量,主要体现在毫米波、小基站、Massive MIM()、全双工 和波束成形这五大技术上。
1. 毫米波
频谱资源随着无线网络设备的数量的增加,其稀缺的问题日渐突出,目前采用的措施是 在狭窄的频谱上共享有限的带宽,对用户的体验不佳。提高无线传输速率方法有增加频谱 利用率和增加频谱带宽两种方法。5G使用毫米波(26.5〜300GHz)增加频谱带宽,提升了 速率,其中28GHz频段其可用频谱带宽为1GHz,60GHz频段每个信道的可用信号带宽则 为2GHz。5G开启了新的频带资源。之前,毫米波仅用在卫星和雷达系统上,毫米波最大 的缺点就是穿透力差,为了让毫米波频段下的5G通信在高楼林立的环境下传输采用小基 站解决这一问题。
2. 小基站
毫米波具有穿透力差、在空气中的衰减大、频率高、波长短、绕射能力差等特点,由于波 长短,其天线尺寸小,这是部署小基站的基础。未来5G移动通信将采用大量的小型基站来 覆盖各个角落。小基站的体积小,功耗低,部署密度高。
3. MIMO技术
5G基站拥有大量采用Massive MIMO技术的天线。4G基站有十几根天线,5G基站 可以支持上百根天线,这些天线通过Massive MIMO技术形成大规模天线阵列,基站可以 同时发送和接收更多用户的信号,从而将移动网络的容量提升数十倍。MIMO(Multiple- Input Multiple-Output)即多输入多输出,这种技术已经在一些4G基站上得到了应用。传 统系统使用时域或频域为不同用户之间实现资源共享,Massive MIMO导入了空间域 (spatial domain)的途径,开启了无线通信的新方向,在基地台采用大量的天线并进行同步 处理,同时在频谱效益与能源效率方面取得几十倍的增益。
4. 波束成形
基于Massive MIMO的天线阵列集成了大量天线,通过给这些天线发送不同相位的信 号,这些天线发射的电磁波在空间互相干涉叠加,形成一个空间上较窄的波束,这样有限的 能量都集中在特定方向上进行传输,不仅传输距离更远,而且还避免信号的相互干扰,这种 将无线信号(电磁波)按特定方向传播的技术叫作波束成形(beamforming)或波束赋形。波 束成形技术不仅可以提升频谱利用率,而且通过多个天线可以发送更多的信息;还可以通 过信号处理算法来计算出信号的传输的最佳路径,确定移动终端的位置。
5. 全双工技术
全双工技术是指设备使用相同的时间、相同的频率资源同时发射和接收信号,即通信 上、下行可以在相同时间使用相同的频率,在同一信道上同时接收和发送信号,对频谱效率 是很大的提升。
全双工技术5G在物联网得到广泛应用
从1G到2G,移动通信技术实现了从模拟到数字的转变,在语音业务基础上,增加了支 持低速数据业务。从2G到3G,数据传输能力得到显著提升,峰值速率最高可达数十Mb/s,完 全可以支持视频电话等移动多媒体业务。4G比3G又提升了一个数量级的传输能力,峰值 速率可达100Mb/s〜lGb/s。5G采用全新的网络架构,提供峰值10Gb/s以上的带宽,用户 体验速率可稳定在1〜2Gb/s。5G还具备低延迟和超高密度连接两个优势。低延时,意味 着不仅上行、下行传输速率会更快,等待数据传输开始的响应时间也会大幅缩短。超高密度 连接,解决人员密集、流量需求大区域的用户需求,让用户在这种环境下也能享受到高速网 络。5G支持虚拟现实等业务体验,连接数密度可达100万个/km2,有效支持海量物联网设 备接入;流量密度可达10(Mb/s)/n?,支持未来千倍以上移动业务流量增长。
移动通信不但要满足日常的语音与短信业务,而且要提供强大的数据接入服务。5G技 术的发展可以给客户带来高速度、高兼容性。5G支持的典型高速率、低时延业务有以下 两种:
(1) 虚拟现实(VR)增强现实(AR)0消费者在体验VR业务时会感到眩晕,眩晕在一 定程度上是因为时延导致的,5G时延极短,所以会减轻由时延带来的眩晕感,可以解决VR 业务眩晕感。
(2) 无人驾驶。5G的低延时对无人驾驶非常重要。5G具有更低的时延决定了驾驶系 统能在更短的时间内对突发情况做出快速反应。例如,车速达到120km/h时,前后车的动 作只有15ms的时差,需要在这15ms内做出足够快的响应(传感器监测环境传输数据,控制 器接收数据进行计算,执行器开始执行),5G的时延是1ms,几乎接近实时反应。