漫话第五代移动通信技术5G（2）
胡经国
三、5G关键技术
㈠、超密集异构网络
1、提高数据流量的关键技术
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年及其以后，移动数据流量将呈现爆炸式增长。在未来5G网络中，减小小区半径，增加低功率节点数量，是保证未来5G网络支持1000倍流量增长的核心技术之一。因此，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。
2、网络部署及其优点
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10m以内；并且支持在每1km2范围内为25000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。
3、必须解决干扰问题
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。
4、大规模节点协作的前提条件
准确有效地感知相邻节点是实现大规模节点协作的前提条件。在超密集网络中，密集地部署使得小区边界数量剧增，加之形状的不规则，导致频繁复杂的切换。为了满足移动性需求，势必出现新的切换算法。另外，网络动态部署技术也是研究的重点。由于用户部署的大量节点的开启和关闭具有突发性和随机性，使得网络拓扑和干扰具有大范围动态变化特性；而各小站中较少的服务用户数也容易导致业务的空间和时间分布出现剧烈的动态变化。
㈡、自组织网络
1、必不可少的关键技术
在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，并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-OrganizingNetwork，SON）的智能化将成为5G网络必不可少的一项关键技术。
2、解决的关键问题
自组织网络技术解决的关键问题主要有以下两个：①、网络部署阶段的自规划和自配置；②、网络维护阶段的自优化和自愈合。
“自规划”的目的是动态进行网络规划并且执行，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。
“自配置”是指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。其方法是通过UE和eNB测量，在本地eNB或网络管理方面进行参数自优化。
“自愈合”是指系统能自动检测问题、定位问题和排除故障，从而大大减少维护成本，并且避免对网络质量和用户体验的影响。
㈢、内容分发网络
1、具有重要的支撑作用
在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。仅仅依靠增加带宽并不能解决问题。它还受到传输中路由阻塞和延迟、网站服务器的处理能力等因素的影响。这些问题的出现与用户服务器之间的距离有密切关系。内容分发网络（contentdistributionnetwork，CDN）会对未来5G网络的容量与用户访问具有重要的支撑作用。
2、原理与作用
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。CDN网络架构在用户侧与源服务器之间构建多个CDN代理服务器，从而可以降低延迟、提高QoS（QualityofService，服务质量）。当用户对所需内容发送请求时，如果源服务器之前接收到相同内容的请求，那么该请求被DNS重定向到离用户最近的CDN代理服务器上，由该代理服务器发送相应内容给用户。因此，源服务器只需要将内容发给各个代理服务器，便于用户从就近的带宽充足的代理服务器上获取内容，从而降低网络时延并且提高用户体验。
3、发展趋向与挑战
随着云计算、移动互联网及动态网络内容技术的推进，内容分发技术逐步趋向于专业化、定制化。并且，其在内容路由、管理、推送以及安全性方面都面临新的挑战。
㈣、D2D通信
1、5G网络关键技术之一
在5G网络中，网络容量、频谱效率都需要进一步提升，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-DeviceCommunication，D2D通信），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通信是未来5G网络中的关键技术之一。
2、原理与优点
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D2D通信。
㈤、M2M通信
1、物联网最常见的应用形式
M2M（MachinetoMachine，M2M）作为物联网最常见的应用形式，在智能电网、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，并且已立项开始研究M2M关键技术。
2、M2M的定义及特征
M2M的定义主要有广义和狭义两种。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；在这一特征下的机器也被赋予了更多的“智慧”。
㈥、信息中心网络（ICN）
1、ICN的目标
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网络已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-centricnetwork，ICN）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。
2、ICN的主要概念
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，而不再是维护目标主机的可连通性。
3、ICN的体系结构
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。
4、ICN信息传递流程
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。
5、ICN的优势
在传统IP网络中，采用的是“推”传输模式，即是服务器在整个传输过程中占有主导地位，而忽略了用户的地位，从而导致用户端接收到过多的垃圾信息。ICN网络正好相反，采用“拉”传输模式，整个传输过程由用户的实时信息请求触发，而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网络相比较ICN具有高效性、高安全性、支持客户端移动等优势。
四、5G应用
㈠、5G应用领域举例
目前5G技术在高清直播、交通运输、虚拟现实等领域已经进入了应用阶段。
以下是若干5G应用领域举例：
1、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，依托传输速率更高和时延更低的5G网络，将在2025年全面实现自动驾驶汽车的量产，其市场规模将达到1万亿美元。
2、远程外科手术
2019年1月19日，中国的一名外科医生利用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。
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。
3、大幅减少了下载时间
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。
4、改善视频通话和游戏体念
5G技术最直接的应用很可能是改善视频通话和游戏体验。
5、智能电网
由于电网高安全性要求与全覆盖的广度特性，因而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20ms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。
6、5G+4K直播
目前应用比较多的是5G+4K直播。2020年中国“两会”期间，在中国电信5G技术的支持下，已经实现了人民大会堂的5G网络覆盖，为媒体工作者和广大观众提供了高效的新闻报道服务。
7、5G机场
在中国电信安徽公司、华为和飞友科技的共同协作下，在合肥新桥国际机场实现了国内第一个5G机场信息化建设。在5G技术支撑下，可实现行李动态实时追踪、停机位资源分配优化、智能视频人脸识别追踪及安检排队预警等。
8、5G示范商务区
中国电信上海公司联手虹桥商务区，打造了国内首个“5G示范商务区”。虹桥商务区内的两个亚洲之最——亚洲最大的火车站虹桥火车站和亚洲已建成展馆中面积最大的国家会展中心，均已布点5G。
9、5G+VR实时赏灯
在中国电信南京公司的5G技术加持下，在2020年元宵节江苏南京第33届中国·秦淮灯会上，实现了5G+VR实时赏灯。众多游客现场体验了VR（VirtualReality，虚拟现实）赏灯。
㈡、5G应用场景举例
3GPP定义了5G应用场景的三大方向，即：eMBB（EnhancedMobileBroadband，增强移动宽带）、mMTC（massiveMachineTypeofCommunication，海量机器类通信或大规模物联网）、uRLLC（Ultra-reliableandLowLatencyCommunications，超高可靠超低时延通信）。
下面是5G应用场景举例：
1、中国
⑴、5G图书
《大话5G》作为5G的早期图书，首先从5G的需求和场景出发，重点介绍了5G的业务场景和技术指标；其次阐述了全球5G的最新研发进展，让读者能够对5G的研究形成全貌的认识；再次从无线物理层、接入网架构和核心网架构等方面，重点阐述了候选的5G空口关键技术和网络关键技术。
⑵、5G火车站
2019年2月18日，中国上海虹桥火车站正式启动5G网络建设，成为全球首个用5G室内数字系统建设的火车站。该火车站计划在2019年9月完成5G网络深度覆盖。
4G的人均速率为5Mb～10Mb，5G的速度将提升10倍。5G网络峰值速率能达到1.2G；下载一部2GB高清电影，最快20秒就可以完成。这样的带宽和网速能满足包括智能服务机器人在内的大量物联网设备的接入。
5G将推动火车站实现数字化、智能化。5G低时延的特点可以让室内导航精度更高，可以在高峰期精确监控疏导人流。
2、韩国
⑴、自动驾驶汽车
在自动驾驶汽车方面，韩国政府表示，到2020年，将在Daegu和Pangyo等城市运营自动驾驶航公交车。在五年后，全国各地区将有大约1000辆接入5G网络的公共汽车。
⑵、数字医疗服务
在数字医疗服务方面，根据韩国政府的说法，基于5G网络的紧急医疗服务将在2021年之前开发。到2025年，大约20%的急救医疗中心将能够使用该系统。
五、5G社会评论
㈠、中国专家的评论
据报道（20201016），中国工程院某院士指出，目前5G还存在技术很不成熟、运营成本极高、不易消化成本等问题。
他表示，疫情催热了对5G的需求，国家新基建战略更加快了5G的建设力度。在5G商用一周年之际，在看到成绩的同时，也需要正视存在的问题，集中起来主要是：“技术很不成熟、运营成本极高、不易消化成本”。
关于5G的成熟度，他表示，移动通信技术总在不断完善之中，基本上是10年一代，每一代开始的前几年都是技术成熟过程。因此，5G技术在刚开始商用时不够成熟是显然的。
关于5G的能耗，5G每基站的能耗约为4G的2～3倍左右。由此可能得出5G基站总能耗可能为4G的4～9倍左右。但是，实际上5G并不一定要达到4G的全覆盖，而且5G部署将采用宏站＋微站。
因此，从能效看，5G虽然能耗高，但是支持的容量大。据计算，5G的能效是4G的27倍。所以，从能效的角度是值得的。
关于5G基站的投资规模，若5G的基站数按4G的2.5倍考虑，基站价格按4G的2倍考虑，则5G基站总投资是4G的5倍。
但是，实际上5G从面向行业应用为主出发，并不需要实现与4G同等规模覆盖，因此投资还可以节省一些。
中国4G建设从2013年起到现在经历7年投资，目前4G用户已占全网移动用户的80％。5G的建设如要达到4G的用户规模，其投资将需要8年甚至更长。
关于5G的投资回报期，目前韩国5G用户的ARPU值比4G增加37％；这显示在来自消费者用户的收入方面，5G将超过4G。
5G网络成本是4G的4～5倍，运营收入将超过4G的6倍，可认为5G的投资回报状况与4G相当。
10月14日，华为技术有限公司专家也表示，中国已经建成了一个世界上规模最大的5G网络，但是在用户体验、覆盖、商业闭环上与国外仍有差距。他表示，中国5G的用户体验存在着“假、哑、差”三个问题。一些用户手机上有5G的LOGO，但是并未接入5G网络，打不出5G电话，或者信号频繁切换。
㈡、其他评论
美国贝尔实验室专家表示，5G并不会完全替代4G、WiFi，而是将4G、WiFi等网络融入其中，为用户带来更为丰富的体验。通过将4G、WiFi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。
欧盟专家表示，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。
2019年6月有媒体评论，5G不仅是一场技术革命，更是蕴含千万亿级的大市场。
2020年10月15日编写于重庆
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