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AIoT 技术分析:5G

随着通信技术的不断发展,我国在通信技术方面已经实现了多元化和多 角度的发展,从最初的第一代模拟技术,到现在的5G技术,从纯语音业务的 发展到语音、数据、业务平台、物联网业务的多元化发展

  随着通信技术的不断发展,我国在通信技术方面已经实现了多元化和多 角度的发展,从最初的第一代模拟技术,到现在的5G技术,从纯语音业务的 发展到语音、数据、业务平台、物联网业务的多元化发展。随着物联网技术 的不断推广,以“信息随心至,万物触手及”为愿景,5G技术的发展成为必 然,5G已经成为全球业界研发的焦点和各通信大国竞争的主战场。

  5G 的概念

  5G发展概述5G(5th Generation)即第五代移动通信技术,此前已 经历四代技术演进:第一代移动通信是已经淘汰的模拟通信技术,通信标 准较多,但主要市场由美国摩托罗拉垄断;第二代数字移动通信技术主要 使用欧盟主导的GSM制式,现在仍是主流通信网络,美国高通的CDMA (IS-95)制式成为下一代技术的基石;第三代移动通信有WCDMA、 CDMA2000和TD-SCDMA三种制式,全球主流标准是WCDMA,中国主导 开发的TD-SCDMA制式仅有中国移动等少部分运营商使用;目前已经进入 规模商用阶段的第四代移动通信,主要是欧美通信公司主导的LTE-Advance FDD,而中国主导的LTE-Advance TDD技术也已经占据市场一席之地;国际 电信联盟已经在2020年完成第五代移动通信全球统一标准的制定,并逐步 投入商用。

  5G移动通信技术的总体愿景是“信息随心至,万物触手及”,通过高 接入速率、低使用时延、海量连接能力、超高流量密度,实现人与物的智 能互联、信息的高速传输,从而渗透到未来社会各个领域,构建以用户为 中心的全方位信息生态系统。

  IMT-2020(56)推进组《5G愿景与需求白皮书》中提出5G需要具备 比4G更高的性能,支持0.1~1Gbps的用户体验速率,每平方公里一百万 的连接数密度,毫秒级的端到端时延,每小时500Km以上的移动性和数 10Gbps的峰值速率。其中,用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本 的三个性能指标。同时,5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率,相比 2021 AIoT产业综述报告 2021 AIoT产业综述报告 2021 AIoT产业综述报告 24 4G,频谱效率提升5~15倍,能效和成本效率提升百倍以上。

  5G 的关键技术

  5G作为新一代通信技术,其涉及较多的新兴技术,其中就有非正交多 址接入技术、D2D通信技术、大规模MIMO、超密集组网、软件定义网络、 毫米波通信技术等,以下对这些技术做一个简单介绍。

  非正交多址接入技术

  非正交多址技术(Non-Orthogonal Multiple Access NOMA)的原理 是在发送端采用非正交发送,人为引入干扰,在接收端通过串行干扰删除 (SIC)接收机来正确解调。 NOMA的子信道传输采用正交频分复用(OFDM)技术,这是一个4G 的基础技术,子信道之间是正交的,因此就互不干扰,但是一个子信道上 不再只分配给一个用户,而是分给了多个用户共享。而同一子信道上不同 用户之间是非正交传输,这样会造成用户间的干扰,也就因此,在接收端 要采用SIC技术进行多用户检测。由于子信道分配了多个用户,因此这一技 术可扩大容量,此外还有干扰低、适合高速移动的优点。

  D2D通信技术

  D2D(Device to Device)主要用于拓展网络连接、接入方式,无需 借助基站,实现通信终端之间直接通信。由于直接通信,距离更短,信道 质量就更高,能实现较高的数据速率、较低时延、较低功耗。通过分布各 处的终端,能改善覆盖。对于频谱稀缺的移动通信,频谱资源可以高效利 用。更灵活的网络架构和连接方法,提升了链路灵活性和网络可靠性。

  就目前来说,D2D采用广播、组播和单播技术,以后发展包括中继技术、多天线技术、联合编码等扩展技术。

  大规模MIMO MIMO是多输入输出,4G-LTE系统中一般是4、8根,而大规模MIMO 可以达到上百根。这些天线以大规模阵列的方式集中放置,这样一来,基 站覆盖范围内,多用户可在同一时频资源上与基站同时通信,提升频谱效 率。其次,大规模天线带来分集增益、阵列增益,可提升用户与基站通信 功率效率。当天线规模大时,一些随机性会变得稳定,这就使得大规模 MIMO和普通MIMO有区别,可以成为5G技术中一个实用的技术。

  当然,大规模MIMO技术也存在一些技术上的挑战。一是大规模 MIMO信道模型问题,目前大部分研究都做了大规模MIMO信道是独立同分 布信道的假设,但这和实际情况并不完全相同,实际中信道能量往往集中 在有限的方向上。二是导频污染,在TDD大规模MIMO传输方案中,用户向 基站发送正交的导频,基站估计上行信道,然后利用信道互易性来获得下 行信道参数。然而随着用户数目的增加,导频开销就增加。相互正交的导 频就变得不那么够用,这就是所谓的“导频污染”。此外还有,在多用户 传输技术方面,在有限的信道信息条件下实施下行预编码和上行多用户联 合接收等问题,都是现在大规模MIMO研究待解决等一些问题。

  超密集组网

  据估计,未来无线网络将有现在10倍多的无线节点分布,因此5G中超 密集组网会有很大发展前景,但其中还有不少急需解决的问题。节点距离 减少,网络更加密集,拓扑就更复杂,干扰是必须面对的问题,主要会有 同频干扰、不同覆盖层次间的干扰。现在的算法还难以应对。 可靠有效地感知临近节点是实现大规模节点协作的前提。在超密集网 中,密集的部署让小区边界数量剧增,同时形状不规则导致频繁复杂的切换。为满足移动性需求,就需要更好的切换算法。此外,网络动态部署的 相关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是有突 发性和随机性的,网络拓扑和干扰会在大范围动态变。各小站中较少的服 务用户数就容易造成业务的空间和时间分布出现一些剧烈的变化。

  软件定义网络

  目前,无线网络面临异构问题的挑战。商用的网络里存在大量的异构 网络,如:LTE、WIMAX、UMTS、WLAN等等。这些异构无线网络共存将持续相当长的一段时间。在制定标准时尽量统一,但仍然会存在新旧标准 的兼容问题。这些问题困扰着运营商,增加着运营商乃至终端的成本。现 在来说,异构无线网络面临的问题集中在互通,资源优化无线资源利用率 不高。这些主要是因为现有移动网络用的垂直架构设计。此外,网络中的 一对多模型无法针对不同服务特点提供专用定制的网络保障,从而降低了 网络服务质量和用户体验。所以,在无线网络中引入软件定义网络思想将 有利于运营商升级网络、用户体验的提升等。

  毫米波通信

  毫米波通信也可以称为高频段通信。现在所用的频段资源是非常稀缺 的,随着移动通信的技术演进,载波频率不断升高。现有频段已经十分吃 紧。而毫米波频段(3—60GHz)资源却非常丰富,其带宽高达273.5GHz, 超过从直流到微波全部带宽的10倍,尚未被充分开发利用。 且随着基站天线规模增加,为了能够在有限的空间内部署更多天线也 要求通信的波长不能太长,毫米波的元件尺寸小。从而毫米波也是备选技 术之一。毫米波具有波束窄、探测能力强、传输质量高、安全保密好等优 点。毫米波通信已经被写进标准用于室内的多媒体高速通信。

  5G 未来发展趋势

  随着5G通信的落地应用,产业领域和科技领域都对于基于5G的创新产 生了巨大的兴趣,由于5G通信在标准制定上充分考虑了产业领域对于无线 网络的需要,所以5G通信将全面推动产业互联网的发展,基于5G通信也会 构建起一个庞大的价值空间。

  从技术的角度来看,随着5G通信的落地应用,云计算、大数据、物联 网、区块链和人工智能等新技术都将获得更多的应用场景,这会促使这些 技术从消费端向产业端过度,从而推动产业领域的创新。当前工业互联网 已经逐渐成为了传统企业发展的新动能,而5G将为工业互联网的落地应用 提供重要的支撑。

  那么,未来智能制造领域的前景还是非常广阔的。从工作场景来看, 5G通信将全面推动职场人的岗位升级,职场人在完成工作任务的过程中 将更加依赖于新技术,更多的人工智能产品(智能体)将出现在生产场景 中,所以对于当前的职场人来说,积极更新自身的知识结构还是非常有必 要的,不仅能够提升自身的岗位附加值,同时也能够提升自身的资源整合能力。


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