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简述5G网络通信技术

【摘要】随着智能手机及互联网的发展,近几年来移动通信技术经历了2G到4G的革新,在通信速度和通信质量上取得了很大进步,随着4G网络的不断成熟,以及新型互联网对移动通信技术提出了更高的要求,现在人们已经开始研究5G移动通信技术。2013年我国相关部门就对其进行了目标制定,2016年我国华为公司更是以PolarCode(极化码)方案拿下了5G控制信道eMBB场景编码的标准。相对于4G技术,5G通讯技术不仅传输速度和效率更高,而且具备很高的兼容性,可以实现多制式、多模式的结合。可以说,5G通讯技术将会极大地提高我们的信息通讯能力,为大数据智能化时代提供有力保障。

【关键词】5G通信;移动网络;大数据技术

一、5G网络通信简介

1.1概念及背景。5G网络是指第五代移动网络通讯技术,它的主要特点是传输速度快,每秒钟的峰值传输可达数十GB。作为新一代移动通信技术,它主要是用于满足2020年以后的通信需求,随着现今大数据技术的发展,信息对通信传输的要求越来越高,4G已经无法满足其需求,人们迫切地需要一种速度更快、成本更低、功耗更小、传输更为安全可靠的技术。因此5G通信技术应运而生,总体来说5G网络的目的是要使用户终端始终处于联网状态,它将要支持的设备远不止智能手机,而是会扩展到未来的智能家居、智能穿戴等设备。与当今4G网络使用率相比,5G技术提供密集而高效的网络支持,并且在使用限制上也比4G网络大大减少,可以更方便地实现人与物的联通。1.2发展历程。早期三星公司在28GHz的超高频段,以每秒1Gb以上的速度,成功实现了传送距离在2Km范围内的数据传输。这标志着高速率通信技术研制成为可能,超高频段数据传输技术的成功,不仅保证了更高的数据传输速度,也有效解决了目前移动通信波段资源几近枯竭的问题。2014年三星又宣布已经研发出基于5G核心的移动传输网络,进一步促进了5G技术的发展,2016年华为公司取得了5G控制信道eMBB场景编码的标准权,2017年八月份华为公司和德国电信成功部署了新5G空口连接,它具备很高的可移动性和广覆盖性,传输速度达到Gbps级,延迟达到毫秒级,至此5G通信技术离我们越来越近了,预计到2020年5G技术将会实现大规模的应用。

二、5G网络通信关键技术

2.1新型多天线传输技术。新型多天线传输技术是5G通信的关键技术之一,它改变了传统网络通信的天线布置方法,更大程度上实现了天线的利用效率最大化。现代通信产业发展很快,频谱资源越来越少,人们迫切需要在既有频谱下提高频谱的利用率,因此大规模天线布置阵列(LSAS)被提出,其基本结构如下图。根据结构图,我们可以观察到LSAS技术可以带来巨大的矩阵增益,除此之外,它还可以更好地抑制干扰。这种矩阵排列可以对时间和空间进行划分,分裂出多个地址,同时满足多个用户端的需求。此外,5G网络通信将会引入有缘天线技术,通过这一技术,可以更好地实现小区基站部署,这样可以增加系统的容量,满足不断增长的数据传输需求。就目前而言,LTE基站的天线布置大多是水平单方向的排列,这样只能形成水平方向的波束,而且鉴于其排列方式,当需求大量天线时,会造成总的尺寸过大而影响到其实际安装。针对这个问题,5G网络通讯技术借鉴了军用阵控雷达的思路,首先是为了解决空间上的限制,其次是为了实现更高程度的信息传输。通过上图这种方式,可以实现水平和垂直两个方向的波束,极大地提高了空间利用率。而且基于这种天线布置方式,多用户之间可以建立有效的隔离,但又不影响其具体信息传输使用,这种方式是适合于未来大数据时代的有效方式。不仅如此,矩阵式的排列还可以提升天线的性能,降低由于耦合造成的能源损失,使整个过程更为高效化。2.2自组织网络及内容分发网络。自组织网络是指网络本身智能化地调控相关网络,它是人工智能技术的一项应用。现今的移动网络通信中,网络的相关部署和运营维修都依靠庞大的人工量来完成,当今各种无线接入技术更是为网络组织增加了难度,在消耗了大量人力物力的基础上,效果仍然很差。据此,5G网路技术提出自组织网络技术,它主要包含两个关键技术,一是网络部署的自规划和自配置;二是网络的维护自愈合和自优化。自行配置是指新添加的网络节点随即就可以使用,其安装十分简易且成本很低。自优化是优化技术的一种智能化,根据最优估计及调控技术,对相关内容进行自动的优化,减少其工作量,提高网络的整体性能。自愈合技术是针对于故障检测及维修而言的,相关检测设备监控网络过程,及时发现故障,通过设定好的检修程序对其进行自动维护,如此可以大大减少维护成本。自动规划主要是为了进行网络的动态规划,以满足相关要求。从形式上来说,主要有集中式和分布式以及混合式三种架构。相对来说集中式架构控制范围广,但是算法比较复杂,而且速度比较慢。而分布式结构正与此相反,除此之外分布式有个独特优势就是维护十分容易,混合兼顾两者,但是目前发展较为缓慢,预计它将会成为主流的架构。内容分发网络是为了实现高速度传输而开发的。随着大数据时代的到来,信息的产生量越来越大,面对大规模的音频、视频、高分辨率图片,用户很难获得很好的体验。而内容分发的方式可以很好地提高信息传输的速率和效率,解决这个问题。内容分发网络即是在传统网络中添加一个虚拟的网络层,系统综合相关的节点连接状态和负载情况,然后将这些信息反馈到代理服务器上,这样可以实现用户就近获取信息,缓解整个网络由于大流量而产生的堵塞和速度慢的情况,一方面它可以降低延迟,提高信息利用效率;另一方面它可以迎合云计算的发展。随着互联网技术的不断发展,内容分发网络也逐渐成熟化、标准化。2.3密集网络技术。密集网络技术是指在一定范围内增加网络使用的密集度,它是针对于当前信息爆炸和大数据技术的具体解决方法。为了应对未来极大量的数据业务要求,人们希望采取更为密集的小区部署来增加其利用效率,从而客观上接纳更多的数据。总体的方法是引入更多的低功率节点,这样可以增强已有数据点的热度,消除不必要的盲点,可以很大程度上提升网络的利用率,提升其系统的容量。但是网络密集也会带来一系列问题,如整个网络结构会变得更为复杂,干扰问题将会变得很严重。因此,密集网络技术的技术难题就是提高网络的抗干扰性能。另一方面网络密集技术可以提高网络的灵活性,这种方式可以根据用户的灵活需求做出相关调整,在这一背景下,未来的结构将会是宏观-长期-临时的架构。它将会极大地降低网络前期规划对整体性能的制约。为5G通讯网络提供更为灵活的自适应保障。同时这种模式将会增加整个系统的容量,提高无线资源的利用率,相对于现在的网络架构,它理论上可以带来1000倍左右的容量提升。而且这种性能会随着用户数量的增加而提高,随着现在城镇化速度的加快,未来这一技术将会有很大用处,具有极大潜力。2.4移动云计算技术。近年来,移动端设备层出不穷,从智能手机到平板电脑,再到目前兴起的智能穿戴等。它们的软硬件水平都非常强悍,可以满足平常大多数的使用需求,并且支持大量的应用和服务。随着物联网技术的发展,移动端设备将会成为最重要的通讯端,因此如何将其高效地连接到网络中至关重要,移动云计算是一种较新的模式,它主要是在移动网络中接入云计算的产物,为其提供一个基础的平台,让用户以需求到使用的模式来操作相关数据。它主要包含基础设施、平台、计算储存等。在这种技术下,用户可以不必在自己的终端储存和处理大量的数据,而只是通过网络通讯调用云端的资源,它很好地弥补了单个用户端资源不足和处理能力薄弱的缺点,实现了高效有效的数据使用。在文件储存和使用中,它使用一种分布式文件处理系统,将复杂的、大量的数据分析并储存在云端,通过网络连接用户端和云端,实现便捷有效的信息访问。

三、5G网络通信优势及其前景展望

5G网络技术的最大优势在于传输速率的提升,其预估速率可以达到数十GB/s。而目前4G的传输速率只有75Mbps,对比现今的传输速率我们可以发现它的巨大价值。韩国三星公司已经在这方面取得了较大成果。除此之外,5G通讯网络相对于目前的通讯手段还具备兼容性高的优点,首先它会涵盖已有的2G、3G、4G网络制式,还包括高速的无线通讯等,依靠这种兼容性,5G网络将会使人们更为容易地进行相关活动。另外,5G网络还可以实现多种模式和制式的结合,当前各种通讯手段共存于社会,运营机构很难灵活地选择合适的网络为用户提供服务。而5G网络将会支持多模式和多制式的灵活协调,避免多种网路模式混乱在一起,它可以形成一个清晰的网络管理架构,提供更为智能化的服务。对于5G网络的发展前景,人们普遍看好,首先是基于人工智能技术的发展,移动端越来越成为信息交流的主要客户端,那么移动通信网络就必须为其提供高速高效的通信手段,否则它无法正常使用。鉴于目前5G网络的发展,成本问题是比较大的制约,未来将会从技术上进行更优化,合理降低其成本,让它成为普遍的技术。总体来说,5G网络通讯技术的前景很好,它将会是大数据时代和人工智能时代的有力助手,为我们的智能化生活提供保障。

参考文献

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[5]黄显强面向5G通信的射频关键技术分析[J].网络与信息工程,2017-6

作者:丁辰汶 单位:福建南平建阳一中

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