5G网络应用现状与发展趋势分析

洪珂一　李嘉

摘要：互联网技术发展迅速，目前大力推行的4G移动通信网络技术已经非常成熟，下一代移动通信网络5G悄然问世。该文对5G网络的关键技术进行分析，总结5G网络的应用现状，预测未来5G网络的发展趋势。

关键词：5G；网络技术；应用现状；发展趋势

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）13-0022-02

从第一代网络到第四代网络，信息技术的发展使得网络越来越成熟，提供的功能越来越多。目前，广泛使用的4G网络实现了无线网络的宽带化，基本满足了移动通信业务的发展。然而技术发展的脚步是永5不停止的，用户的需求也是不断变化的，社交网络、云计算、车联网的出现，要求网络速率更高，安全更有保障，下一代通信网络（简称5G）应运而生。目前，已在大量的技术人员和公司着手研究5G网络，为促进这一技术的快速发展，有必要分析5G网络的关键技术，对5G网络的应用现状和发展趋势进行关注。

15G网络通信技术概述

第五代通信系统5G是未来网络的发展方向，也是一种面向信息社会服务的无线通信系统。目前关于5G网络通信技术的相关标准还没有统一，但是与5G相关的概念逐渐得到业界的认可。早在2001年，日本NIIT公司就提出了5G的概念，以后在通信行业逐渐取得共识。2012年8月，我国举办国际通信大会，在会议上提出了关于5G的相关概念。虽然各个国家对5G的概念界定并不一致，但是可以肯定的是5G网络融合了世界上最先进的网络技术，在传输速率、覆盖率和用户体验方面都比4G网络有很大的提升，5G网络将是真正的无线网络。

未来的5G网络发展的驱动来自于用户的需求和网络自身。用户的需求包括网络连接的可靠性，网络的传输速度、无缝的用户体验等；网络自身的需求驱动包括实现灵活高效的系统架构，自动化的运维管理等方面。5G网络技术不仅仅是关于无线接口的技术，更是未来的全面解决方案，除了能够为用户提供各种各样的音频、视频等信息外，还能够让用户轻松创建个人网络，提供人与机器间的交互，完成车辆管理、家庭健康、报警监视等方面的服务。在未来的5G网络中，运营商不再局限于提供人与人之间的通信，还能提供人与物以及物与物之间的通信。

25G网络的关键技术

相比于4G网络，5G网络能够提供高可靠、低延时的通信，网络的覆盖范围更广泛，流量密度更大，速度更快，这些都需要一定的技术来保障。5G网络的关键技术很多，本文主要介绍高频传输技术、多址技术以及多天线传输技术。

1）高频传输技术

在目前的3G、4G移动通信网络系统中，使用的频段范围基本上是在3GHZ以下。然而，伴随着网络用户数量的不断增加，传输的信息资源也越来越多，对网络流量的需求旺盛，现有的频率资源自然不能满足用户的需求。而未来5G网络将为用户提供更快的带宽服务，因此对频率方面的要求将更高，有必要加强对高频传输技术的研究。

根据5G网络的规划，要实现5G网络的功能，至少要将目前频谱的利用率提高至少10倍以上，在频段范围内，随着频段值的不断提高，应该有相应的技术解决方案。在高频传输技术中，不但要求5G网络能提高覆盖率，还要达到环保的要求。利用充足数量的天线，提高无线网络信号的抗干扰性能，使得不同用户的使用不受影响。在5G通信网络系统中，使用高频段技术虽然能够解决覆盖范围的问题，但是在实际的应用过程中，却面临着传输距离短、受天气等自然环境影响大等许多问题，造成网络的通信质量下降。因此，如何克服这些问题，是5G网络高频传输技术的关键。

2）多址技术

第一代通信网络采用FDMA技术，第二代网络采用TDMA技术，第三代网络采用CDMA技术，而第四代网络采用0FDMA技术。尽管OFDMA技术已经使得数据传输速率达到千兆比特，但是随着智能终端应用的普及，无线传输的速率呈现指数级增长，无线网络传输的速率仍然满足不了未来的应用需求。5G网络到底采用哪种多址技术，目前仍然是各方关注的焦点，比较流行的观点是采用NOMA技术。

NOMA技术不同于一般的正交传输技术，它的最大优势在于接收机的复杂度有所提升，从而能够获得更高的频谱效率。其工作原理是在发送端采用非正交发送，通过主动引入干扰信息，在接收端利用串行干扰删除技术实现正确解调。非正交传输的基本思想是利用复杂的接收机设计来换取更高的频谱效率，随着芯片处理能力的增强，将使非正交传输技术在实际系统中的应用成为可能。

3）多天线传输技术

所谓多天线就是增加5G网络容量的技术，理论上增加一定的天线数量能够将网络容量提供很多倍。也就是说，在目前多天线的基础上进行增加天线，在数量上增加十根甚至数百根以上，形成一个独立的空间数据流，来达到提高频谱效率的目标。对于频谱使用效率提高的这个问题，通常是通过LSAS技术来实现的，其原理是利用LSAS技术使得干扰抑制增益和阵列增益得到有效提升，从而使得相应的边缘频谱和总频谱效率也得到提升。除此之外，LSAS技术还可以划分不同的空间位置，实现在同一空间对多个用户进行服务的功能。

另外一个比较火的是MIMO技术，大规模MIMO技术不仅能够在不增加频谱资源的情况下降低发射功率、减小小区内以及小区间干扰，还能实现频谱效率和功率效率在4G的基础上再提升一个量级。

35G网络的应用现状

5G网络结合无线移动技术，形成了全新的通信网络，目前，各产业联盟、科研机构和厂商都投入了對5G的研究，纷纷发布5G相关的白皮书。2014年12月，NGMN组织发布了5G白皮书，指出5G是一个端到端的生态系统，由多用户、多设备、多层网络、多种接入技术组成的异构网络环境。2015年5月，IMT-2020网络组发布了《5G网络技术架构》的白皮书，确定SDN和NFV技术为实现5G新型设备平台的基础，提出了5G网络架构的设计原则。

2016年9月，欧盟委员会正式公布了5G行动计划，制定了关于5G标准方面、频率划分和测试计划表。根据该计划，2017年3月开始对5G网络进行测试，2017年底前制定完整的5G网络部署图；2018年开始商用测试；2020年欧盟各成员国至少选择一个城市提供5G服务；到2025年欧盟各成员国在公路、铁路和主要城区提供5G服务。

2013年，中国成立了5G移动通信研究小组，致力于5G关键技术、频谱方面的研究，加快融入国际5G的发展进程。同年6月，启动5G网络的863计划，重点对5G網络的体系架构、频谱开发和无线传输等关键技术进行研究。2017年2月，工业和信息化部共同发布《信息通信行业发展规划（2016-2020年）》，明确了工业互联网的实施路径和实施架构，积极开展5G研发和产业推进，为5G网络的商用服务奠定基础。与此同时，5G技术试验的室内部分已完成，开始进人室外试验阶段。在北京怀柔规划建立了全球最大的5G试验外场，建成了30个基站进行组网性能测试。按照计划安排，我国于2017年开展5G网络的第二阶段测试，2018年进行大规模的试验组网，2019年启动5G网络的建设，争取在2020年正式启动5G网络的商业应用。

45G网络的发展趋势

5G网络的诞生主要是应对未来更多的移动数据增长的新业务，世界各个国家在5G网络的关键技术指标、能效技术、频段和发展前景方面进行了研究。可以说，5G网络在移动通信领域掀起了新一轮的市场竞争热潮。5G网络的空前发展给社会进步带来巨大的推动力。与4G网络相比较，5G网络在频谱利用率、资源利用率、传输速率等方面都有显著提高。

5G网络作为新一代移动网络将更加智能化，更加能够满足用户流量方面的需求，同时具有自感知和自高速的优点，也是下一代移动网络的必然发展趋势。从5G网络的研究现状来看，5G网络今后将在以下三个方面重点发展：

1）频谱

现在不同国家的无线频谱区划是存在一定的差异的，但随着5G网络走向商用，所有的频谱将归于5G。C-Band（3.5GHz）是5G首个全球统一的频段，未来将用作城区主要容量层；毫米波段可以提供超大带宽和容量，因此非常适合用于5G在热点地区的容量提升、站点自回传及家庭宽带接入。而对于已经被2G/3G/4G占用的频谱，需要考虑如何转换为5G并提供同样优秀的覆盖范围和质量。

目前的2G/3G/4G网络大多使用低频段频谱资源，5G网络将在频率利用率方面有较大的改善，通过有线与无线技术的结合，采用光载无线组网等先进技术来解决高频无线电穿透力弱的问题，来获得更多的频谱资源，使得资源利用率相比于4G网络至少提高10倍。

21新体系架构

5G网络定义了全新的业务指标和丰富的业务场景，5G系统不能单纯依靠空口技术换代和峰值速率提升，需要提供全新的网络体系架构，使得整修移动通信系统的吞吐率高出当前网络的25倍。受制于目前4G网络中心转发和单一控制的限制，在5G网络的多连接和高吞吐量的情况下，现在的网络给造成更多的拥堵和过载风险，这就要求5网络控制功能将流量分布更加均衡，功能更加灵活。

5G网络采用基于功能平面的体系框架设计，将传统与网元绑定的网络功能进行抽离和重组，重新划分为3个功能平面，即接入平面、控制平面和数据平面。网络功能在平面内聚合程度更高，平面间解藕更充分。其中，控制平面主要负责生成信令控制、网管指令和业务编排逻辑，接人平面和数据平面主要负责执行控制命令，实现对业务流在接入网的接人与核心网内的转发。

3）统一技术标准

5G网络实现人与人之间，人与物之间以及物与物之间的直接通信，要想实现这一互联，没有统一的技术标准是不可能完成的。所以，形成全球统一的技术标准是5G网络未来的发展趋势。全球统一技术能够带来很多好处，比如全球范围内的国际漫游，终端设备的低成本等。

2015年，ITU启动5G国际标准制定的准备工作，计划在2018年底启动SG技术评估及标准化，2020年底形成商用能力；IEEE通信学会也在积极探索5G标准化工作思路，深入开展5G技术研究；3GPP计划在2018年输出第一版的5G网络架构标准，2019年完成面向商用的完备规范版本。

5结束语

物联网和移动互联网的发展共同推动了移动通信网络的不断更新，当4G系统不能满足当前新型移动通信业务的需要时，5G网络的相关研究工作开始启动。目前关于5G网络的研究还处于初级阶段，随着研究的不断深入，5G网络的发展前景良好，移动通信网络必将迈向一个新时代。