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5G是什么?
发布时间:2020/7/31 11:21:00     点击: ( 66 )
 

5G,全称是:第五代移动通信技术(简称5G5G技术)是最新一代蜂窝移动通信技术,也是继4GLTE-AWiMax)、3GUMTSLTE)和2GGSM)系统之后的延伸。5G的特点是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接最高的速率达20 Gbit/s,可以实现宽信道带宽和大容量MIMO

20191031日,国内移动、电信、联通三大运营商公布5G商用套餐,并于111日正式上线5G商用套餐。

43016时左右,全球海拔最高的5G基站正式投入使用,5G信号首次登顶世界之巅。从海拔5200米的珠峰大本营、5800米的过渡营地再到如今6500米的前进营地,短短1个月内,百余名工程师攻坚克难,最终实现了这3个关键区域5G信号的全覆盖。

基本概念

首先,5G与早期的2G3G4G网络一样,是数字蜂窝网络,在这种网络中,供应商覆盖的服务区域被划分为许多被称为蜂窝的小地理区域。表示声音和图像的模拟信号在手机中被数字化,由模数转换器转换并作为比特流信息进行传输。当用户从一个蜂窝穿越到另一个蜂窝时,他们的移动设备将自动切换到新蜂窝中的天线。

5G网络的主要优势在于,数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络,最高可达10Gbit/s,比当前的有线互联网要快,比先前的4G LTE蜂窝网络快100倍。另一个优点是较低的网络延迟(更快的响应时间),低于1毫秒(4G30-70毫秒)。由于数据传输更快,5G网络将不仅仅为手机提供服务,而且还将成为一般性的家庭和办公网络提供商,与有线网络提供商竞争。

网络特点

1、峰值速率需要达到Gbit/s的标准,以满足高清视频,虚拟现实等大数据量传输。

2、空中接口网络时延1ms左右,满足自动驾驶,远程医疗等实时应用。

3、超大网络容量,提供千亿设备的连接能力,满足物联网通信。

4、频谱效率要比LTE提升10倍以上。

5、连续广域覆盖和高移动性下,用户体验速率达到100Mbit/s

6、流量密度和连接数密度大幅度提高。

7、系统协同化,智能化水平提升,表现为多用户,多点,多天线,多摄取的协同组网,以及网络间灵活地自动调整。

关键技术

5G超密集异构网络。5G 网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。随着各种智能终端的普及,面向 2020 年及以后,移动数据流量将呈现爆炸式增长。超密集异构网络成为未来 5G 网络提高数据流量的关键技术

未来无线网络将部署超过现有站点 10 倍以上的各种无线节点,在宏站覆盖区内,站点间距离将保持 10 m 以内,并且支持在每 1 km2 范围内为 25 000个用户提供服务 。同时也可能出现活跃用户数和站点数的比例达到 1 1的现象, 即用户与服务节点一一对应。密集部署的网络拉近了终端与节点间的距离,使得网络的功率和频谱效率大幅度提高,同时也扩大了网络覆盖范围,扩展了系统容量,并且增强了业务在不同接入技术和各覆盖层次间的灵活性。

虽然超密集异构网络架构在 5G 中有很大的发展前景,但是节点间距离的减少,越发密集的网络部署将使得网络拓扑更加复杂, 从而容易出现与现有移动通信系统不兼容的问题。在 5G 移动通信网络中,干扰是一个必须解决的问题。网络中的干扰主要有:同频干扰,共享频谱资源干扰,不同覆盖层次间的干扰等。现有通信系统的干扰协调算法只能解决单个干扰源问题,而在 5G 网络中,相邻节点的传输损耗一般差别不大,这将导致多个干扰源强度相近,进一步恶化网络性能,使得现有协调算法难以应对。

5G自组织网络。传统移动通信网络中,主要依靠人工方式完成网络部署及运维,既耗费大量人力资源又增加运行成本,而且网络优化也不理想。在未来 5G 网络中,将面临网络的部署、 运营及维护的挑战, 这主要是由于网络存在各种无线接入技术,且网络节点覆盖能力各不相同,它们之间的关系错综复杂。因此,自组织网络(self-organizing network SON) 的智能化,将成为 5G 网络必不可少的一项关键技术。

自组织网络技术解决的关键问题主要有以下 2点:①网络部署阶段的自规划和自配;②网络维护阶段的自优化和自愈合。自配置即新增网络节点的配置可实现即插即用,具有低成本、安装简易等优点。自优化的目的是减少业务工作量, 达到提升网络质量及性能的效果,自愈合指系统能自动检测问题、定位问题和排除故障,大大减少维护成本并避免对网络质量和用户体验的影响。自规划的目的是动态进行网络规划并执行,同时满足系统的容量扩展、 业务监测或优化结果等方面的需求。

5G内容分发网络。5G 中,面向大规模用户的音频 视频图像等业务急剧增长, 网络流量的爆炸式增长会极大地影响用户访问互联网的服务质量。如何有效地分发大流量的业务内容,降低用户获取信息的时延,成为网络运营商和内容提供商面临的一大难题。  

内容分发网络(content distribution networkCDN) 会对未来 5G 网络的容量与用户访问具有重要的支撑作用

内容分发网络是在传统网络中添加新的层次,即智能虚拟网络。CDN系统综合考虑各节点连接状态、 负载情况以及用户距离等信息,通过将相关内容分发至靠近用户的 CDN代理服务器上, 实现用户就近获取所需的信息,使得网络拥塞状况得以缓解,降低响应时间,提高响应速度。

5G D2D 通信。5G 网络中,网络容量频谱效率需要进一步提升,更丰富的通信模式以及更好的终端用户体验也是 5G 的演进方向。设备到设备通信 ( device-to-device communicationD2D) 具有潜在的提升系统性能、 增强用户体验、减轻基站压力、提高频谱利用率的前景。因此,D2D 是未来 5G 网络中的关键技术之一

D2D 通信,是一种基于蜂窝系统的近距离数据直接传输技术。D2D 会话的数据直接在终端之间进行传输,不需要通过基站转发,而相关的控制信令,如会话的建立、维持、无线资源分配以及计费、鉴权、识别、移动性管理等仍由蜂窝网络负责。蜂窝网络引入 D2D 通信,可以减轻基站负担, 降低端到端的传输时延,提升频谱效率,降低终端发射功率。当无线通信基础设施损坏,或者在无线网络的覆盖盲区,终端可借助 D2D 实现端到端通信甚至接入蜂窝网络。在 5G 网络中,既可以在授权频段部署 D2D 通信,也可在非授权频段部署。

5G M2M 通信——M2M(machine to machine M2M)作为物联网最常见的应用形式, 智能电网、安全监测、城市信息化、环境监测等领域实现了商业化应用。3GPP已经针对 M2M 网络制定了一些标准,并已立项开始研究 M2M 关键技术。M2M的定义主要有广义和狭义 2 种。广义的M2M主要是指机器对机器、人与机器间以及移动网络和机器之间的通信,它涵盖了所有实现人、机器、系统之间通信的技术;从狭义上说,M2M 仅仅指机器与机器之间的通信。智能化、交互式是 M2M 有别于其它应用的典型特征, 这一特征下的机器也被赋予了更多的智慧

5G信息中心网络——随着实时音频、 高清视频等服务的日益激增,基于位置通信的传统 TCP /IP网络无法满足数据流量分发的要求。网络呈现出以信息为中心的发展趋势。信息中心网络 ( information-centric networkICN)的思想最早是1979年由Nelson 提出来的,后来被 Baccala 强化。作为一种新型网络体系结构,ICN 的目标是取代现有的 IP

ICN 所指的信息包括实时媒体流、 网页服务、 多媒体通信等,而信息中心网络就是这些片段信息的总集合。因此,ICN 的主要概念是信息的分发、查找和传递,不再是维护目标主机的可连通性。不同于传统的以主机地址为中心的 TCP /IP 网络体系结构,ICN 采用的是以信息为中心的网络通信模型,忽略 IP 地址的作用,甚至只是将其作为一种传输标识。全新的网络协议栈能够实现网络层解析信息名称、路由缓存信息数据、多播传递信息等功能,从而较好地解决计算机网络中存在的扩展性、实时性以及动态性等问题。ICN信息传递流程是一种基于发布订阅方式的信息传递流程。首先,内容提供方向网络发布自己所拥有的内容,网络中的节点就明白当收到相关内容的请求时如何响应该请求。然后,当第一个订阅方向网络发送内容请求时,节点将请求转发到内容发布方,内容发布方将相应内容发送给订阅方, 带有缓存的节点会将经过的内容缓存。其他订阅方对相同内容发送请求时,邻近带缓存的节点直接将相应内容响应给订阅方。因此,信息中心网络的通信过程就是请求内容的匹配过程。传统 IP 网络中,采用的是传输模式,即服务器在整个传输过程中占主导地位,忽略了用户的地位,从而导致用户端接收过多的垃圾信息。ICN 网络正好相反,采用模式,整个传输过程由用户的实时信息请求触发, 网络则通过信息缓存的方式,实现快速响应用户。此外,信息安全只与信息自身相关,而与存储容器无关。针对信息的这种特性,ICN 网络采用有别于传统网络安全机制的基于信息的安全机制。和传统的 IP 网络相比,ICN 具有高效性、高安全性且支持客户端移动等优势

应用领域

5G车联网与自动驾驶。车联网技术经历了利用有线通信的路侧单元(道路提示牌)以及2G/3G/4G网络承载车载信息服务的阶段,正在依托高速移动的通信技术,逐步步入自动驾驶时代。根据中国、美国、日本等国家的汽车发展规划,依托传输速率更高、时延更低的5G网络,将在2025年全面实现自动驾驶汽车的量产,市场规模达到1万亿美元

5G远程医疗(外科手术)。2019119日,中国一名外科医生利用5G技术实施了全球首例远程外科手术。这名医生在福建省利用5G网络,操控30英里(约合48公里)以外一个偏远地区的机械臂进行手术。在进行的手术中,由于延时只有0.1秒,外科医生用5G网络切除了一只实验动物的肝脏。5G技术的其他好处还包括大幅减少了下载时间,下载速度从每秒约20兆字节上升到每秒50千兆字节——相当于在1秒钟内下载超过10部高清影片。5G技术最直接的应用很可能是改善视频通话和游戏体验,但机器人手术很有可能给专业外科医生为世界各地有需要的人实施手术带来很大希望。

5G技术将开辟许多新的应用领域,以前的移动数据传输标准对这些领域来说还不够快。5G网络的速度和较低的延时性首次满足了远程呈现、甚至远程手术的要求。 

5G智能电网。因电网高安全性要求与全覆盖的广度特性,智能电网必须在海量连接以及广覆盖的测量处理体系中,做到99.999%的高可靠度;超大数量末端设备的同时接入、小于20 ms的超低时延,以及终端深度覆盖、信号平稳等是其可安全工作的基本要求。

5G+融合。6G,即第六代移动通信标准,一个概念性无线网络移动通信技术,也被称为第六代移动通信技术。主要促进的就是互联网的发展。

6G将使用太赫兹THz)频段,且6G网络的致密化程度也将达到前所未有的水平,届时,我们的周围将充满小基站。太赫兹频段是指100GHz-10THz,是一个频率比5G高出许多的频段。

6G网络将是一个地面无线与卫星通信集成的全连接世界。通过将卫星通信整合到6G移动通信,实现全球无缝覆盖,网络信号能够抵达任何一个偏远的乡村,让深处山区的病人能接受远程医疗,让孩子们能接受远程教育。此外,在全球卫星定位系统、电信卫星系统、地球图像卫星系统和6G地面网络的联动支持下,地空全覆盖网络还能帮助人类预测天气、快速应对自然灾害等。这就是6G未来。

6G通信技术不再是简单的网络容量和传输速率的突破,它更是为了缩小数字鸿沟,实现万物互联这个终极目标,这便是6G的意义。

“2018年世界移动通信大会·北美上,Jessica Rosenworcel作为美国联邦通信协会(FCC)对外公开讨论6G无线服务的第一位专员,提出了6G3大类关键技术,分别涉及到6G频谱(6G进入太赫兹频段,网络致密化)、6G无线超大容量如何实现(空间复用技术)、6G频谱使用如何创新(动态频谱共享+区块链)这3大方面。让我们在技术层面上对6G有了一个较为具体的展望。目前涉及的关键技术研究有:全息无线电、太赫兹通信、大型智能表面、轨道角动量通信(AOM,漩涡电磁波)等。

201911 我国科技部就表示,6G技术研发推进工作组和总体专家组的成立,标志着我国6G技术研发工作正式启动。

结论

5G并不会完全替代4GWiFi,而是将4GWiFi等网络融入其中,为用户带来更为丰富的体验。通过将4GWiFi等整合进5G里面,用户不用关心自己所处的网络,不用再通过手动连接到WiFi网络等,系统会自动根据现场网络质量情况连接到体验最佳的网络之中,真正实现无缝切换。

5G必须是灵活的,能够满足人口稠密地区、人口稀疏地区以及主要的交通线等各种场景的需要。5G不仅是一场技术革命,更是蕴含千万亿级市场。

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