蔣 賢
(廣東省韶關(guān)市無線電監(jiān)測(cè)站,廣東 韶關(guān) 512000)
1.1.1 古列爾莫·馬可尼
無線電的發(fā)明者,在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)、法拉第提出電磁感應(yīng)定律、麥克斯韋數(shù)學(xué)推算電磁波存在以及赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)電磁波存在的基礎(chǔ)上,發(fā)明了無線電并成功申請(qǐng)專利。
1.1.2 克勞德·香農(nóng)
信息論及數(shù)字通信時(shí)代的奠基人,創(chuàng)造性地用信息熵概念來描述信源的不確定度,其總結(jié)的著名數(shù)據(jù)傳輸速率極限值公式為C=Blog2(1+S/N)(圖1虛線所示)。其中:C為信道容量,單位為bit/s;B為信道帶寬,單位為Hz;N為信道高斯噪聲功率,單位為W;S為信號(hào)平均功率,單位為W。
圖1 通信中信號(hào)傳輸質(zhì)量示意圖
1.1.3 馬丁·庫(kù)珀
世界上第一部手機(jī)在位于紐約曼哈頓的摩托羅拉(MOTOROLA)實(shí)驗(yàn)室由庫(kù)珀帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明誕生,有線固定電話自此逐步被移動(dòng)電話取代。
1.1.4 安德魯·維特比
安德魯·維特比提出了維特比算法,該算法可在數(shù)字通信鏈路中解卷積以消除噪音。在GSM和CDMA數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)、撥號(hào)調(diào)制解調(diào)器、深空通信、衛(wèi)星和無線網(wǎng)絡(luò)中解卷積碼中得到廣泛應(yīng)用。后來移動(dòng)通信研究人員又相繼提出了TurboCode、MIMO、STPC、LDPC、PolarCode,其初衷都是不斷努力追求香農(nóng)定理極限傳輸狀態(tài)。
1.1.5 比爾·蓋茨和史蒂夫·喬布斯
前一位創(chuàng)建微軟,后一位創(chuàng)建蘋果,但事實(shí)上他們存在著競(jìng)爭(zhēng)。蘋果在喬布斯的帶領(lǐng)下開創(chuàng)了一個(gè)時(shí)代,通過移動(dòng)通信終端給客戶創(chuàng)造了非同凡響的新奇事物和前所未有的體驗(yàn)。
1.1.6 拉里·佩奇和謝爾蓋·布林
兩人聯(lián)合創(chuàng)建了谷歌Google,締造了Google搜索引擎算法。首創(chuàng)認(rèn)知通信,讓人們?cè)谛畔⒑Q罄锊檎谊P(guān)心的價(jià)值信息。
移動(dòng)通信終端操作系統(tǒng)從最初的Symbian、Blackberry、IOS發(fā) 展 到 IOS、Android、HarmonyOS,其演變的實(shí)質(zhì)就是生態(tài)系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。
喬布斯曾說過領(lǐng)袖和跟風(fēng)者的區(qū)別在于創(chuàng)新,熱愛自己的事業(yè)是成就一番偉業(yè)的唯一途徑。蘋果的成功很大程度上是喬布斯科技與人文完美結(jié)合理念的勝出,他創(chuàng)造了特有操作系統(tǒng)IOS及其衍生生態(tài)平臺(tái),重新定義用戶產(chǎn)品。雖然喬布斯的去世對(duì)蘋果的技術(shù)創(chuàng)新影響巨大,但憑借著成熟的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈,蘋果在市場(chǎng)上仍有一定優(yōu)勢(shì)。相較而言,谷歌的開源系統(tǒng)Android也展現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力。
華為早在2012年就開始規(guī)劃自有操作系統(tǒng),HarmonyOS自誕生之日起就注定不會(huì)搞封閉式,全場(chǎng)景分布式的開源操作系統(tǒng)為生態(tài)鏈的共享共建提供強(qiáng)大支撐,多種智能終端實(shí)現(xiàn)極速發(fā)現(xiàn)、極速連接、硬件互助、資源共享,也將更加開放、包容和創(chuàng)新,作為我國(guó)自主的操作系統(tǒng)更是任重道遠(yuǎn)。
天線是任何無線電系統(tǒng)必不可少的組件,它的功能是輻射或者接收無線電波,在發(fā)射系統(tǒng)中把被導(dǎo)電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂煽臻g的無線電波,或者在接收系統(tǒng)中做相反的變換,從而實(shí)現(xiàn)在任意兩點(diǎn)之間傳遞無線電信號(hào)。超寬帶天線是在常規(guī)窄帶天線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,主要研究探索頻帶寬度極大地?cái)U(kuò)展后給天線帶來的新理論、新技術(shù)以及新方法[1]。為了極大提高信道容量,超寬帶結(jié)合天線分集復(fù)用技術(shù)系統(tǒng),發(fā)送端和接收端都使用多根天線,在收發(fā)之間構(gòu)成多個(gè)信道,進(jìn)而發(fā)展出寬帶化、微型化、集成化的大規(guī)模MIMO和超大規(guī)模天線集群。
與其他現(xiàn)代技術(shù)一樣,無線移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展也呈現(xiàn)加速趨勢(shì),關(guān)于未來移動(dòng)通信的討論從未停止過,其中最熱門仍是個(gè)人移動(dòng)通信網(wǎng)。雖然各家對(duì)于這種系統(tǒng)概念和結(jié)構(gòu)的解釋不一,但有一點(diǎn)可以肯定的是,未來移動(dòng)通信系統(tǒng)將提供全球性優(yōu)質(zhì)服務(wù),真正實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)向任何人提供通信服務(wù)這一移動(dòng)通信的最高目標(biāo)[2]。
頻譜資源是寶貴的不可再生資源,稀缺性是通信領(lǐng)域本質(zhì)無法克服的矛盾或瓶頸,某個(gè)通信使用了一個(gè)頻率,另一個(gè)通信就不能使用了。如果用同樣的頻率,要么相互干擾,要么需找到解決干擾的辦法,這是通信領(lǐng)域永恒的主題和挑戰(zhàn)。
頻譜規(guī)劃好后,不同(或相同)的頻段對(duì)應(yīng)不同的服務(wù),同樣的移動(dòng)通信在有限的頻段里也無法再為服務(wù)對(duì)象進(jìn)行頻譜帶寬細(xì)分。對(duì)此,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造性地提出六邊形空間劃分信號(hào)覆蓋概念,使各基站構(gòu)成覆蓋的網(wǎng)絡(luò)像一個(gè)蜂窩,蜂窩相互之間當(dāng)且僅當(dāng)不存在干擾,只要基站發(fā)射功率控制足夠小即可。不過蜂窩網(wǎng)(小區(qū)制)也不可能完全防止信號(hào)外溢產(chǎn)生干擾,假設(shè)在某個(gè)蜂窩使用一組頻率,其外第一層不能使用相同頻率,第二層或若干層則重復(fù)使用相同頻率能很好地解決這個(gè)問題,稱為頻分復(fù)用(Frequency Division Multiplexing,F(xiàn)DM)。移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)及頻分復(fù)用示意如圖2所示。
圖2 移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)及頻分復(fù)用示意
頻分復(fù)用之后又出現(xiàn)時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiplexing,TDM)、 碼 分 復(fù) 用(Code Division Multiplexing,CDM),都是極力地為了增大有效等價(jià)帶寬。直至iPhone的橫空出世給移動(dòng)通信終端帶來了一場(chǎng)深刻變革,手機(jī)變成一臺(tái)裝載著應(yīng)用App,處理文檔、圖片以及視頻等巨大數(shù)據(jù)量的個(gè)人移動(dòng)計(jì)算機(jī),移動(dòng)通信業(yè)界發(fā)現(xiàn)原來的通信網(wǎng)已不能適應(yīng)新形勢(shì)。隨著信息大爆炸,大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等概念的提出,意味著移動(dòng)通信網(wǎng)設(shè)計(jì)者和運(yùn)營(yíng)商必須直面增強(qiáng)移動(dòng)寬帶和提升傳輸速率的更大挑戰(zhàn)。
歷經(jīng)1G、2G、3G、4G的發(fā)展,移動(dòng)通信延續(xù)著每十年一代技術(shù)的發(fā)展規(guī)律,每一次代際躍遷,每一次技術(shù)進(jìn)步,都極大地促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)升級(jí)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。1G、2G實(shí)現(xiàn)了模擬通信到數(shù)字通信的過渡,移動(dòng)通信走進(jìn)了千家萬戶;3G、4G實(shí)現(xiàn)了語音業(yè)務(wù)到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)變,傳輸速率成百倍提升,促進(jìn)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及和繁榮??梢哉f現(xiàn)代生活已離不開移動(dòng)通信,它深刻改變了人們的溝通、交流乃至社會(huì)生活方式,但隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展,不斷涌現(xiàn)新服務(wù)、新業(yè)務(wù),4G移動(dòng)通信系統(tǒng)也難以滿足未來移動(dòng)數(shù)據(jù)流量爆炸式增長(zhǎng)的需求。5G作為當(dāng)前最新型移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),不僅要解決人與人通信,為用戶提供虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、超高清(3D)視頻等更加身臨其境的極致業(yè)務(wù)體驗(yàn),更要解決人與物以及物與物的通信問題,滿足工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧醫(yī)療、智能政務(wù)、車聯(lián)網(wǎng)等萬物互聯(lián)應(yīng)用需求??梢灶A(yù)見,5G將滲透到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)層面,成為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵新型基礎(chǔ)設(shè)施。
移動(dòng)性是移動(dòng)通信最明顯的特征,它具有頻譜受限、無線鏈路波動(dòng)、用戶接入點(diǎn)不確定和可變等特點(diǎn),在噪聲環(huán)境和干擾環(huán)境中又會(huì)受到折射現(xiàn)象、反射現(xiàn)象、多普勒效應(yīng)的復(fù)雜影響,產(chǎn)生多徑干擾問題。因此研究移動(dòng)信道電波傳輸特性顯得十分重要,其目的是弄清移動(dòng)信道的傳播規(guī)律和各種物理現(xiàn)象的機(jī)理以及這些現(xiàn)象對(duì)信號(hào)傳輸所產(chǎn)生的不良影響,進(jìn)而研究消除各種不良影響的對(duì)策[3]。通常移動(dòng)信道中電波傳輸與無線電波傳輸特性、基本天線單元、無線傳播環(huán)境等因素密切相關(guān)。
調(diào)制技術(shù)是一種將信源信號(hào)轉(zhuǎn)換成適宜無線傳輸?shù)倪^程,主要作用是提高系統(tǒng)的頻帶利用率,增強(qiáng)抗噪聲和抗干擾的能力,使信號(hào)適宜在衰落信道中傳輸。無線電通信常采用雙重調(diào)制,首先用數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)去調(diào)制第一個(gè)載波(稱為副載波),或用調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻分和時(shí)分多路復(fù)用,然后將已調(diào)副載波或多路復(fù)用信號(hào)再調(diào)制成一個(gè)公共載波,以便進(jìn)行無線電傳輸。
調(diào)制方式可按照調(diào)制信號(hào)性質(zhì)和載波形式劃分為模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、連續(xù)波調(diào)制以及脈沖調(diào)制。模擬調(diào)制一般指調(diào)制信號(hào)和載波都是連續(xù)波的調(diào)制方式,包括調(diào)頻FM、調(diào)幅AM和調(diào)相PM。數(shù)字調(diào)制一般指調(diào)制信號(hào)是離散的,而載波是連續(xù)波的調(diào)制方式,包括頻移鍵控FSK、幅移鍵控ASK、相移鍵控PSK、最小頻移鍵控MSK、相對(duì)相移鍵控DPSK和正交幅度調(diào)制QAM等。一般而言,PSK相移鍵控具有較好的頻帶利用率和抗噪聲能力。
在無線通信中,許多用戶同時(shí)通話時(shí)以不同的無線信道分隔,防止相互干擾的技術(shù)方式稱為多址方式,主要作用是提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量。簡(jiǎn)單來說,多址接入技術(shù)通常分為兩大類,即正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)和非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA),而公共陸地移動(dòng)網(wǎng)(Public Land Mobile Network,PLMN)主要使用正交多址接入。
頻 分 多 址(Frequency Division Multiple Access,F(xiàn)DMA)將總帶寬分隔成多個(gè)正交的信道,每個(gè)用戶占用一個(gè)信道。比如,把分配給無線蜂窩通信的載波帶寬劃分為多種不同頻帶的子信道,每一個(gè)子信道實(shí)現(xiàn)傳輸語音和數(shù)據(jù)。時(shí)分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)是為了實(shí)現(xiàn)共享無線電或者網(wǎng)絡(luò)之類的傳輸介質(zhì),允許多個(gè)用戶在不同的時(shí)隙使用相同的頻率,用戶一個(gè)接一個(gè)迅速傳輸,每個(gè)用戶使用自己的時(shí)隙。碼分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)是利用碼序列相關(guān)性實(shí)現(xiàn)多址通信,以不同的地址碼來區(qū)分地址。每個(gè)配有不同的地址碼,用戶發(fā)射的載波既受基帶數(shù)字信號(hào)調(diào)制又受地址碼調(diào)制,接收時(shí)只有確知其配給地址碼的接收機(jī)才能解調(diào)出相應(yīng)的基帶信號(hào),其他接收機(jī)因地址碼不同而無法解調(diào)出信號(hào)。3種多址方式的三維示意如圖3所示。
圖3 FDMA、TDMA、CDMA多址方式的三維示意
空分多址(Spatial Division Multiple Access,SDMA)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是天線技術(shù),理想狀態(tài)下天線給每個(gè)用戶分配一個(gè)點(diǎn)波束,根據(jù)空間角度區(qū)分每個(gè)用戶的無線信號(hào),進(jìn)而分隔信道實(shí)現(xiàn)頻率的復(fù)用,是智能天線技術(shù)的體現(xiàn)。MIMO系統(tǒng)中的每個(gè)用戶被分配不同的空間信息(Signature)獲取分集和復(fù)用增益,雖然實(shí)際上SDMA難以達(dá)到嚴(yán)格正交,但是結(jié)合MIMO技術(shù)可以提高系統(tǒng)性能。SNR理想情況下,自由度對(duì)提高頻譜效率很重要,采用合適的預(yù)編碼設(shè)計(jì),SDMA可以創(chuàng)建多個(gè)正交(或接近正交)的空間子信道以增加自由度,每個(gè)空間子信道可以工作在較低SNR條件下,從而顯著提高系統(tǒng)容量。SNR較低時(shí),采用合理的波束賦形,SDMA可以提高接收SNR(陣列增益)并降低其方差(分集增益),從而提高小區(qū)邊緣的覆蓋。MIMO信道的自由度受基站和終端側(cè)最小天線數(shù)的限制,而對(duì)多個(gè)用戶進(jìn)行配對(duì)和仔細(xì)設(shè)計(jì)空間信息后,系統(tǒng)性能將只受基站側(cè)最大天線數(shù)的限制,從而得到大幅提高。
正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)是OFDM和FDMA技術(shù)的結(jié)合演進(jìn),即把傳輸帶寬劃分成正交且互不重疊的一系列子載波集,不同的子載波集再分配給不同的用戶實(shí)現(xiàn)多址[4]。子載波可通過IFFT和FFT方法來實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制解調(diào),基帶信號(hào)中添加循環(huán)前綴并應(yīng)用IFFT,目的是將頻率選擇性信道轉(zhuǎn)換為多徑正交平坦衰落信道,從而更適應(yīng)與SCMA(MIMO)相結(jié)合,同時(shí)還能夠完全利用頻率分集,降低子載波間的保護(hù)帶,獲得更大的系統(tǒng)性能增益。OFDMA又可分為子信道OFDMA和跳頻OFDMA,支持應(yīng)用于LTE和WiMax。
第五代移動(dòng)通信多址方式。5G多址接入技術(shù)并不是獨(dú)立的、全新的無線接入技術(shù),而是對(duì)現(xiàn)有無線接入技術(shù)(包括2G、3G、4G和WiFi)的技術(shù)演進(jìn)以及一些新增的補(bǔ)充性無線接入技術(shù)集成后解決方案的總稱。目前的多址接入技術(shù)在RAN1#84b會(huì)議中歸納得出,大致包含(但不限于)稀疏編碼多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)、圖樣分割多址接入(Pattern Defined Multiple Access,PDMA)、非正交碼分多址接入(Non-Orthogonal Coded Multiple Access,NCMA)、 低 碼 率 擴(kuò) 展(Low Code Rate Spreading,LCRS)、 頻 域 擴(kuò) 展(Frequency Domain Spreading,F(xiàn)DS)以及非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)。
抗干擾措施的作用是提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力,大致可分為擴(kuò)展頻譜抗干擾技術(shù)和非擴(kuò)頻類的通信抗干擾技術(shù)兩類。其中擴(kuò)展頻譜抗干擾技術(shù)可提高通信系統(tǒng)的綜合抗干擾能力,包括跳頻技術(shù)(Frequency-Hopping Spread Spectrum,F(xiàn)HSS)、 直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)、跳時(shí)(Time Hopping,TH)以及混合擴(kuò)頻技術(shù)。非擴(kuò)頻類的通信抗干擾技術(shù)又包括以下幾個(gè)部分。一是自適應(yīng)天線技術(shù)。采用扇區(qū)天線、多波束天線和自適應(yīng)天線陣列以減小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的共道干擾。二是猝發(fā)通信技術(shù)。亦稱“瞬間通信”,在極短時(shí)間內(nèi)快速發(fā)送信息,信號(hào)不易被截獲和干擾。三是糾錯(cuò)編碼和交織編碼。包括前向糾錯(cuò)(Forward Error Correction,F(xiàn)EC)和自動(dòng)請(qǐng)求重傳(Automatic Repeat reQuest,ARQ),利用信道編碼進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)降低通信傳輸誤差,保證通信可靠和質(zhì)量。四是分集技術(shù)。用于克服由多徑傳播所引起的多徑衰落,包括頻率分集、時(shí)間分集、空間分集及RAKE接收技術(shù)等。五是新的調(diào)制技術(shù)。如多進(jìn)制調(diào)制、多載波調(diào)制等,均為結(jié)合自適應(yīng)均衡、抗碼間干擾和擴(kuò)展時(shí)延能力的調(diào)制技術(shù)。
組網(wǎng)技術(shù)就是網(wǎng)絡(luò)組建技術(shù),作用是解決移動(dòng)通信組網(wǎng)中的問題。第一到第四代移動(dòng)通信組網(wǎng)除了多址技術(shù),大致上還涉及區(qū)域覆蓋和信道配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、信令、越區(qū)切換和位置管理這幾個(gè)方面。
移動(dòng)通信頻譜資源十分緊張,每個(gè)基站只能配置好一組信道,供給基站所覆蓋區(qū)域內(nèi)所有移動(dòng)臺(tái)的使用,這是多信道共用問題。要想科學(xué)合理的配置信道,需要關(guān)注電信業(yè)務(wù)流量和服務(wù)等級(jí),研究話務(wù)量和呼損率。
區(qū)域覆蓋分為大區(qū)制(小容量)和小區(qū)制(大容量),按服務(wù)區(qū)可劃分為帶狀網(wǎng)和面狀網(wǎng)。帶狀網(wǎng)用于覆蓋公路、鐵路、海岸線等,采用定向天線使每個(gè)小區(qū)信號(hào)覆蓋呈扁圓形進(jìn)而頻分復(fù)用;面狀網(wǎng)即蜂窩網(wǎng),用正六邊形組網(wǎng)方式來覆蓋面狀服務(wù)區(qū),并進(jìn)一步形成區(qū)群。信道配置包括分區(qū)分組配置法、等頻距配置法以避免同頻及互調(diào)干擾。
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括基本網(wǎng)、蜂窩移動(dòng)電話網(wǎng)和數(shù)字移動(dòng)蜂窩網(wǎng)。信令是與通信有關(guān)的一系列控制信號(hào),在網(wǎng)絡(luò)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分別處理并導(dǎo)致一系列控制操作,是用戶和通信網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互交換信息的公共語言,也是整個(gè)通信網(wǎng)的神經(jīng)系統(tǒng)。信令又分為接入信令(MS至BS之間)和網(wǎng)絡(luò)信令,接入信令包括模擬信令和數(shù)字信令,網(wǎng)絡(luò)信令主要應(yīng)用于交換機(jī)之間和交換機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)之間,信令的工作受傳輸協(xié)議約束。
越區(qū)切換(Handover或Handoff)時(shí),為保持通信的連續(xù)性,將移動(dòng)臺(tái)與原基站之間的鏈路轉(zhuǎn)移到移動(dòng)臺(tái)與新基站之間鏈路,又被稱為自動(dòng)鏈路轉(zhuǎn)移(Automatic Link Transfer,ALT)。越區(qū)切換分為硬切換(中斷)和軟切換(不中斷并改善)。
一個(gè)高效的位置管理系統(tǒng)可以跟蹤用戶位置變化,把一個(gè)呼叫傳送到在移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)的用戶。位置管理系統(tǒng)包括兩個(gè)主要任務(wù),一是位置登記(即時(shí)位置更新)發(fā)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)位置變化及何時(shí)報(bào)告當(dāng)前位置,二是呼叫傳遞(尋呼)有效確定移動(dòng)臺(tái)所處的基站區(qū)。
5G移動(dòng)通信分為SA/NSA組網(wǎng),SA獨(dú)立組網(wǎng)是以5G網(wǎng)絡(luò)為核心網(wǎng)重新構(gòu)建新型的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),全部基站和基礎(chǔ)設(shè)施都是重新部署和建設(shè)的;NSA非獨(dú)立組網(wǎng)以4G網(wǎng)絡(luò)為核心,融合現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)而部署5G網(wǎng)絡(luò),不僅減少建設(shè)時(shí)間、節(jié)約建設(shè)成本,而且實(shí)現(xiàn)5G覆蓋。5G移動(dòng)通信承載巨量的軟硬件資源,為保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行,組建時(shí)需采用多連接技術(shù)和無線回傳技術(shù)。隨著5G組網(wǎng)的實(shí)踐,在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中不斷開發(fā)出更新的技術(shù),如層次化網(wǎng)絡(luò)。分層化組網(wǎng)包括邏輯功能和建設(shè)方式兩個(gè)方面,分層化5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更適合應(yīng)用在NSA非獨(dú)立組網(wǎng)模式中[5]。
采用模擬制式、語音信號(hào)的蜂窩電話標(biāo)準(zhǔn),采用模擬技術(shù)和頻分多址技術(shù),一個(gè)模擬信道間隔30 kHz/25 kHz,代表性系統(tǒng)是美國(guó)AMPS和英國(guó)TACS。
又稱為窄帶數(shù)字通信系統(tǒng)。2G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分為兩種,一種是基于TDMA技術(shù)發(fā)展出來的GSM,另一種則以CDMA規(guī)格為標(biāo)準(zhǔn)。代表是歐洲GSM系統(tǒng),美國(guó)DAMPS和IS-95系統(tǒng)。在此主要介紹GSM,這是一種開放性的數(shù)字移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn),采用頻分雙工(Frequency Division Duplexing,F(xiàn)DD)和時(shí)分多址技術(shù)(Time Division Multiple Access,TDMA),信令和語音信道都是數(shù)字式。1996年歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)開發(fā)出GSM Phase2+,采用密集的頻率復(fù)用、多路復(fù)用和多重復(fù)用結(jié)構(gòu),擴(kuò)展改進(jìn)了GSM Phase 1及Phase 2的性能,同時(shí)引入GPRs/EDGE、自適應(yīng)多速率編解碼(Adaptive Multi-Rate Codec,AMR)以及智能天線等技術(shù),GPRs/EDGE使GSM與Internet融合成為了現(xiàn)實(shí)。
1985年,國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)提出未來公眾陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)(Future Public Land Mobile Telecommunication System,F(xiàn)PLMTS),1996年更名為IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000),1999年 國(guó) 際 電 聯(lián) ITU-R通 過《IMT-2000無線接口技術(shù)規(guī)范》。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體制是CDMA2000、WCDMA和 TD-SCDMA。CDMA2000即IMT-2000 CDMA-MC(IMT-2000多 載 波 CDMA),由多個(gè)1.25 MHz的窄帶直接擴(kuò)頻系統(tǒng)組成一個(gè)寬帶系 統(tǒng);WCDMA即 IMT-2000 CDMA-DS(IMT-2000直接擴(kuò)頻CDMA),即在5 MHz頻帶內(nèi)直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻的系統(tǒng);IMT-2000 CDMA TDD(IMT-2000時(shí)分雙工CDMA)包括TD-SCDMA和UTRA TDD,其中TD-SCDMA是我國(guó)自主研發(fā)提出的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合了TDD與FDMA/TDMA/CDMA多址方式。
國(guó)際電信聯(lián)盟在2012年無線電通信全會(huì)全體會(huì)議上正式審議通過將LTE-Advanced和WirelessMANAdvanced(802.16m)技術(shù)規(guī)范確立為IMT-Advanced(“4G”)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),中國(guó)主導(dǎo)制定的TD-LTEAdvanced和FDD-LTE-Advance同時(shí)并列成為4G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution,LTE)項(xiàng)目可視為3G空中接入技術(shù)的改進(jìn)增強(qiáng)型,采用OFDM和MIMO作為無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。由于WCDMA網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)版HSPA和HSPA+均能夠演化到FDD-LTE狀態(tài),因此這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)獲得了最大的支持,也是4G標(biāo)準(zhǔn)的主流。LTE-Advanced的正式名稱為Further Advancements for E-UTRA,它滿足ITU-R的IMT-Advanced技術(shù)征集的需求,是3GPP形成歐洲IMT-Advanced技術(shù)提案的一個(gè)重要來源。但LTEAdvanced不具革命性,只是一個(gè)后向兼容的技術(shù)演進(jìn),實(shí)現(xiàn)完全兼容LTE,相當(dāng)于HSPA和WCDMA的關(guān)系。全球微波互聯(lián)接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMax)的另一個(gè)名字是IEEE 802.16,其技術(shù)起點(diǎn)較高,所能提供的最高接入速度是70 Mb/s,是3G寬帶速度的30倍。
2015年,國(guó)際電信聯(lián)盟無線部將5G正式命名為 IMT-2020(International Mobile Telecommunication-2020),并發(fā)布了5G愿景白皮書ITU-R M.2083。國(guó)際電信聯(lián)盟無線部第5D工作組在2017年12月發(fā)布了《IMT-2020空口技術(shù)評(píng)估指南》。在此歸納出ITU定義了8大關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。即4個(gè)傳統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo),峰值速率、移動(dòng)性、時(shí)延、頻譜效率;4個(gè)新定義關(guān)鍵指標(biāo),用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、流量密度和能效。5G將滿足20 Gb/s的光纖般接入速率、毫秒級(jí)時(shí)延的業(yè)務(wù)體驗(yàn)、千億設(shè)備的連接能力、超高流量密度和連接數(shù)密度及百倍網(wǎng)絡(luò)能效提升等極致指標(biāo)[6-8]。
3GPP制定R15和R16標(biāo)準(zhǔn)滿足了ITU IMT-2020的全部需求,其中R15為5G基礎(chǔ)版本,重點(diǎn)支持增強(qiáng)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)和基礎(chǔ)的低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù),R16為5G增強(qiáng)版本,將支持更多物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)??紤]到5G將與LTE較長(zhǎng)時(shí)間共存,并且運(yùn)營(yíng)商擁有的頻譜不同、部署節(jié)奏不同、5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)定位不同,3GPP標(biāo)準(zhǔn)分階段支持多種5G組網(wǎng)架構(gòu)。具體來說,R15包含3個(gè)子版本,這些子版本將為運(yùn)營(yíng)商提供更多組網(wǎng)選擇[9]。2018年6月份發(fā)布新空口(New Radio,NR)獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),2019年底發(fā)布R16標(biāo)準(zhǔn),R16是在R15的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)支持移動(dòng)寬帶的能力和效率,同時(shí)擴(kuò)展支持更多物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。
至于多址無線接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已在前文介紹,在此不再贅述。隨著5G深入研發(fā),未來可能會(huì)陸續(xù)出臺(tái)適用5G業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的核心網(wǎng)、基站與終端、物理層、無線接入網(wǎng)、無線接口協(xié)議等技術(shù)新標(biāo)準(zhǔn)。移動(dòng)通信技術(shù)的演進(jìn)如表1所示。
表1 移動(dòng)通信技術(shù)主要標(biāo)準(zhǔn)及特點(diǎn)
移動(dòng)通信在20世紀(jì)20至40年代初開始發(fā)展,不過當(dāng)時(shí)的適用范圍非常小,主要使用對(duì)象是船舶、飛機(jī)、汽車等,并運(yùn)用在軍事通信中。庫(kù)珀團(tuán)隊(duì)發(fā)明了俗稱“大哥大”的手機(jī),移動(dòng)通信開始應(yīng)用于個(gè)人領(lǐng)域。
數(shù)字技術(shù)促使移動(dòng)通信快速向小型化、便攜化以及個(gè)人化方向發(fā)展,主要應(yīng)用在數(shù)字蜂窩系統(tǒng)(歐洲GSM和美國(guó)IS-95CDMA)、數(shù)字無繩電話系統(tǒng)(歐洲D(zhuǎn)ECT和日本的PHS)和數(shù)字集群系統(tǒng)(歐洲TETRA、GSM-R和美國(guó)IDEN)。CDMA因?yàn)榫哂蓄l率利用率高、容量大、軟切換、發(fā)射功率低、通信質(zhì)量好以及保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),最初在軍事通信中得到應(yīng)用,后轉(zhuǎn)為民用。在個(gè)人通信領(lǐng)域應(yīng)用體現(xiàn)在手機(jī)的耗電量、重量、體積已大大縮小。
無線通信與互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信開始結(jié)合,并在音樂、視頻播放、圖像處理、Internet沖浪、電話會(huì)議、電子商務(wù)等綜合信息服務(wù)中得到應(yīng)用。3G手機(jī)是通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相融合的產(chǎn)物,通常從這代開始定義這類移動(dòng)通信產(chǎn)品為個(gè)人通信終端。
4G非常適應(yīng)云計(jì)算、移動(dòng)辦公及實(shí)時(shí)多媒體等移動(dòng)數(shù)據(jù)通信與多媒體業(yè)務(wù)的大數(shù)據(jù)處理需求的發(fā)展,能順暢處理聲音、圖像數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)快速連接,讓無線網(wǎng)絡(luò)更好地為人們服務(wù),個(gè)人可從信息的海洋中快速得到自己需要的信息。被大規(guī)模應(yīng)用到移動(dòng)視頻直播、移動(dòng)便攜游戲(即手游)、基于云計(jì)算的運(yùn)用、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,AR)導(dǎo)航、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及應(yīng)急處置等多個(gè)領(lǐng)域。
3GPP定義5G三大應(yīng)用場(chǎng)景。增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(Enhance Mobile Broadband,eMBB)按照計(jì)劃能夠在人口密集區(qū)為用戶提供1 Gb/s用戶體驗(yàn)速率和10 Gb/s峰值速率,在流量熱點(diǎn)區(qū)域,可實(shí)現(xiàn)每平方千米數(shù)十太兆每秒的流量密度。海量連接物聯(lián)網(wǎng)通信(Massive Machine Type Communication,mMTC)不僅能夠?qū)⑨t(yī)療儀器、家用電器和手持通信終端等全部連接在一起,還能面向智慧城市、智能農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及森林防火等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景,并提供具備超千億網(wǎng)絡(luò)連接的支持能力。超高可靠性與超低時(shí)延業(yè)務(wù)通信(Ultra Reliable & Low Latency Communication,uRLLC)主要面向智能無人駕駛、工業(yè)控制等需要低時(shí)延、高可靠連接的業(yè)務(wù),能夠?yàn)橛脩籼峁┖撩爰?jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證[10]。下面結(jié)合廣東一些例子具體了解5G在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況。
5.5.1 智慧政務(wù)
應(yīng)用場(chǎng)景主要包括AR安防與接待、人臉識(shí)別閘機(jī)、全息導(dǎo)航以及高清庭審直播等。廣州市中級(jí)人民法院和中國(guó)聯(lián)通簽署5G戰(zhàn)略合作協(xié)議,成立廣州5G智慧法院聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行5G在司法領(lǐng)域中的應(yīng)用。將5G與MEC、人臉識(shí)別、AR、高清視頻傳輸?shù)燃夹g(shù)融合,實(shí)現(xiàn)司法服務(wù)效率和公眾服務(wù)便捷的提升。5G與MEC技術(shù)構(gòu)建的智能法院平臺(tái)如圖4所示。
圖4 5G與MEC技術(shù)構(gòu)建的智能法院平臺(tái)
5.5.2 智感安防
應(yīng)用場(chǎng)景主要包括MEC邊緣云平臺(tái)部署、5G超清視頻監(jiān)控、小區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)通以及圖像處理智慧警務(wù)分析等。5G時(shí)代的適時(shí)到來為社區(qū)安防帶來新的動(dòng)能,基于5G網(wǎng)絡(luò)、MEC移動(dòng)邊緣計(jì)算、AI技術(shù)與小區(qū)智感安防相結(jié)合,廣州市公安局通過5G+AI+MEC等新技術(shù)的集合實(shí)現(xiàn)小區(qū)安防新應(yīng)用,建立小區(qū)安防新標(biāo)桿。同時(shí)此項(xiàng)目符合社區(qū)安防一標(biāo)六實(shí)、人口核查、重點(diǎn)人員管控、人像大數(shù)據(jù)等要求,促進(jìn)社區(qū)安防的智能化和信息化提升,提高社區(qū)居民生活的安全感。5G+AI+MEC構(gòu)建的社區(qū)智感安防體系如圖5所示。
圖5 5G+AI+MEC構(gòu)建的社區(qū)智感安防體系
5.5.3 智慧醫(yī)院
應(yīng)用場(chǎng)景主要包括遠(yuǎn)程超聲診斷、遠(yuǎn)程手術(shù)、5G+VR/AR遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)與受教以及5G救護(hù)車等。廣州市第一人民醫(yī)院通過將5G與MEC技術(shù)應(yīng)用到智能醫(yī)療領(lǐng)域,將醫(yī)療設(shè)備信息互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)醫(yī)療平臺(tái)一體化,賦能傳統(tǒng)醫(yī)院,加快向智慧醫(yī)院數(shù)字化轉(zhuǎn)型。利用5G網(wǎng)絡(luò)超大帶寬和超低時(shí)延特性,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程手術(shù)與遠(yuǎn)程診療,有效縮短城鄉(xiāng)醫(yī)療資源差距。5G與MEC構(gòu)建的高水平智慧醫(yī)院體系如圖6所示。
圖6 5G與MEC構(gòu)建的高水平智慧醫(yī)院體系
5.5.4 智慧教學(xué)
應(yīng)用場(chǎng)景主要包括5G遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)、5G VR沉浸式教學(xué)、5G全息教學(xué)以及5G人工智能感知校園等。廣東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)、龍華區(qū)教育局以及華南師范大學(xué)基于5G的智慧教育建設(shè),為學(xué)校搭建遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng),通過5G高速率大帶寬的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)不同校區(qū)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)互動(dòng)課堂,教育資源共享。通過把MEC平臺(tái)就近部署在學(xué)校附近或者校內(nèi),將內(nèi)容下沉及終端渲染能力上移至邊緣云,實(shí)現(xiàn)VR/AR沉浸式教學(xué)。通過5G大連接技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一平臺(tái),實(shí)現(xiàn)校園物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)及管理,實(shí)現(xiàn)校園的智能化管理。5G+智慧教育項(xiàng)目示意如圖7所示。
圖7 5G+智慧教育項(xiàng)目示意
5.5.5 高清直播
應(yīng)用場(chǎng)景主要包括5G超高清直播傳送。深圳廣電集團(tuán)5G超高清視頻直播,解決了客服衛(wèi)星/微波傳送存在的成本較高、設(shè)備笨重難以移動(dòng)等問題,降低了應(yīng)用成本,設(shè)備更加便攜,同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)可傳輸超高清視頻。在5G網(wǎng)絡(luò)高速率、低延時(shí)的技術(shù)支持下,廣電大廈演播大廳里的新聞主播與遠(yuǎn)在文博會(huì)深圳會(huì)展中心主場(chǎng)的記者實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)半個(gè)小時(shí)的實(shí)時(shí)互動(dòng)。4K高清晰度視頻畫面流暢、穩(wěn)定,幾乎零延時(shí),5G為新媒體行業(yè)帶來了新的發(fā)展。5G+4K超高清穩(wěn)定零時(shí)延直播示意如圖8所示。
圖8 5G+4K超高清穩(wěn)定零時(shí)延直播示意
5.5.6 智能制造
應(yīng)用場(chǎng)景主要包括無紙化首檢、崗位工藝行為識(shí)別以及AGV車等。珠海格力電器股份有限公司建成智能制造領(lǐng)域首張5G“MEC+網(wǎng)絡(luò)切片“工業(yè)專網(wǎng)。依托5G專網(wǎng)支持,格力目前已完成產(chǎn)線無紙化首檢、崗位工藝行為識(shí)別、AGV車等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。通過5G無紙化首檢項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)快速首檢,提升了首檢效率,實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量追溯的信息化管理,而且電子首檢代替紙質(zhì)首檢節(jié)約紙質(zhì)成本。通過5G大帶寬網(wǎng)絡(luò),運(yùn)用視頻監(jiān)控方式對(duì)生產(chǎn)線各種操作進(jìn)行規(guī)范化監(jiān)控,進(jìn)一步提升管理水平。通過格力5G專網(wǎng),調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)AGV牽引車進(jìn)行智能化的路徑規(guī)劃和交通管理,實(shí)現(xiàn)智能化搬運(yùn),提高了貨物的搬運(yùn)效率。格力電器“MEC+網(wǎng)絡(luò)切片”工業(yè)專網(wǎng)示意如圖9所示。
圖9 格力電器“MEC+網(wǎng)絡(luò)切片”工業(yè)專網(wǎng)示意
5.5.7 無人駕駛
應(yīng)用場(chǎng)景包括遠(yuǎn)程駕駛管理、遠(yuǎn)程故障管理平臺(tái)、車路協(xié)同系統(tǒng)以及區(qū)塊鏈道路信息共享平臺(tái)等。文遠(yuǎn)知行科技有限公司在5G與MEC的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,圍繞5G車聯(lián)網(wǎng)公共信息服務(wù)平臺(tái)核心理念,以L4級(jí)別自動(dòng)駕駛車輛為實(shí)際載體的5G車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品體系。現(xiàn)階段已完成開發(fā)遠(yuǎn)程駕駛管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程故障管理平臺(tái)、車路協(xié)同系統(tǒng)、道路信息共享平臺(tái)4大產(chǎn)品。5G移動(dòng)邊緣計(jì)算智能網(wǎng)聯(lián)無人駕駛示意如圖10所示。
圖10 5G移動(dòng)邊緣計(jì)算智能網(wǎng)聯(lián)無人駕駛示意
5.5.8 智能井下礦
應(yīng)用場(chǎng)景包括井下礦通信、智能控制以及精準(zhǔn)定位等。韶關(guān)市仁化凡口礦根據(jù)5G大帶寬、低時(shí)延的技術(shù)特性,結(jié)合遠(yuǎn)程無人駕駛系統(tǒng)、高精度定位系統(tǒng)、井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)等系統(tǒng),成功構(gòu)建“5G+井下礦電機(jī)車無人駕駛模型”。融合5G通信、電機(jī)車高精度定位與智能控制、自動(dòng)放礦等多種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了礦山有軌運(yùn)輸環(huán)節(jié)的全過程可視化管理,用于解決井下礦通信困難場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)力調(diào)度、機(jī)車遠(yuǎn)程駕駛、機(jī)車安全預(yù)警及生產(chǎn)數(shù)據(jù)精細(xì)化管理等功能,顯著提升采裝與運(yùn)輸效率,優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)輸調(diào)度,合理利用資源,降低生產(chǎn)成本,保障生產(chǎn)作業(yè)安全。智能井下礦示意如圖11所示。
圖11 智能井下礦示意
人類從發(fā)明無線電至今不過130年,而從第一代移動(dòng)通信發(fā)展到第五代移動(dòng)通信歷經(jīng)約40年時(shí)間。隨著5G深入研發(fā)及推廣應(yīng)用,無線移動(dòng)通信技術(shù)也終于從服務(wù)于人走向服務(wù)于行業(yè),可以認(rèn)為移動(dòng)通信技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的緊密結(jié)合,將極大地賦能經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,數(shù)字化信息時(shí)代已經(jīng)到來??v觀1G到5G的移動(dòng)通信發(fā)展史,每次移動(dòng)通信技術(shù)變革都伴隨著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng),移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)已超越了其原有內(nèi)涵,不再僅是技術(shù)活動(dòng)中需要統(tǒng)一協(xié)調(diào)的事項(xiàng)準(zhǔn)則,而成為決定技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)、影響前沿產(chǎn)業(yè)生態(tài),乃至國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵性因素,每一次標(biāo)準(zhǔn)迭代升級(jí),都會(huì)帶來市場(chǎng)規(guī)模的指數(shù)級(jí)擴(kuò)張,帶來更強(qiáng)的技術(shù)溢出效應(yīng),推動(dòng)移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步與各行各業(yè)融合,深刻改變著人們的生活方式乃至整個(gè)人類社會(huì)的發(fā)展模式。到2030年左右,6G商用也將開啟,全球?qū)⑦~入6G時(shí)代,下一代6G移動(dòng)通信技術(shù)將是一種空、天、地、海泛在的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),而衛(wèi)星通信在其中扮演著重要角色,因此更要加快衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的布局與發(fā)展,及早謀劃太空戰(zhàn)略資源部署,讓我國(guó)在移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)中立于不敗之地。