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注：收稿日期：2013．07．19 隨著通信網絡的El益發展及3G與4G技術的推廣與應用，后4G時代的通信技術被命名為5G。5G通信技術作為概念性的技術在2001年由日本NTT公司提出，而我國5G概念則是于2012年8月在中國國際通信大會上被提出。目前，5G通信技術還沒有統一的制式標準。前不久，報道稱韓國三星公司已研發出5G通信技術，該技術被命名為Nomadic Local Area Wjreless Access(簡稱NoLA)。手機在利用該技術后無線下載速度可以達到3.6G/s。本文將簡要闡述5G通信技術的概念，并結合目前通信領域先進的技術(如云計算等)及概念性產品(如光場相機、比特幣等)來闡述該技術在未來的發展和應用前景。 1. 引言 5G無線通信技術實際上就是無線互聯網網絡(見圖1)，這個技術將支持OFDM(正交頻分復用)、MC．CDMA(多載波碼分多址)、LAS-CDMA(大區域同步碼分多址)、UWB(超寬帶)、NETWORK．LMDS(區域多點傳輸服務)和IPv6(互聯網協議)。事實上，IPv6是4G和5G技術的基礎協議。5G技術是一個完整的無線通信系統，沒有任何限制，所以我們將5G稱為真正無線世界或者Wwww (WorldwideWireless Web，世界級無線網)。 圖1 5G網絡拓撲圖 2. 5G移動網絡 對于不同的RAN(Radio Access Network，無線電接入網)，利用扁平化IP概念更容易使5G網絡升級至一個單納米核心網絡。由于扁平化IP，我們要更關注網絡安全，因此5G網絡運用納米技術作為防護工具來保障網絡安全。不可否認的是，扁平化IP網絡的關鍵概念就是使5G可以兼容所有的網絡。為了滿足使用者對即時數據應用的要求，無線運營商要試圖轉型到扁平化IP建設中去。扁平化IP構架提供了一個能夠通過象征性的名稱來識別終端的方法，這種方法不像分層架構那樣運用正常的IP地址，這種做法給移動網絡運營商帶來更多的利益。隨著向扁平化IP架構的轉型，移動運營商可以做到： ●減少數據通道中的網絡元素，從而減少運營成本和資本支出。 ●在運用新型的應用中，一定程度上減少數據在傳輸過程中的損耗。 ●將整個通信系統中的延遲最小化，如果無線鏈路中的延遲被增強，也會在系統中得到完整的識別。 ●分別獨立改善無線網與核心網，使之相比從前的網絡，擁有更好的拓展性，也可以建立更靈活的網絡結構。 ●發展一個更靈活的核心網絡，這個核心網可以作為基站，在移動終端與通用IP接入網中提供更新穎的服務。 ●創建一個更具有競爭力的平臺，對于有線網絡來說，具有價格和性能表現上的優勢。 扁平化的網絡結構在網絡中去除了語音功能導向中的分層。為了取代覆蓋在語音網絡中的數據包，可以構造更簡化的數據結構，這樣即可去除網絡鏈條中多樣的元素。 圖2所示是5G移動系統中的網絡結構設計方案的系統模型，這是一個無線與移動網絡互用的全IP網絡模型。這個模型中包括了一個用戶終端(這在整個全新的構造中起到至關重要的作用)和一些獨立、自主的無線電接入技術。對于每一個終端來說，每一個無線電接人技術都可以被看做是一條IP鏈接，可以連通外部的Internet網絡。但是，在移動終端中，不同的無線電接人技術需要不同的無線電接口。例如，若我們有4種不同的無線電接入技術，我們就需要4種對應的接口植入到移動終端中，而且要求可以同時問激活這4種無線電接入。 圖2 5G移動網絡 3. 5G結構—— 納米核心 所謂的5G納米核心實際上包括納米技術、云計算、全IP平臺(見圖3)，而這3種技術對于現今的無線網絡來說，也發揮著各自的作用。 3.1. 納米技術 納米技術作為納米科學的重要應用之一，主要應用于納米范圍內的操作控制，納米范圍一般為0．1～lOOnm。這個領域中也包括分子納米技術(MNT_Molecule Nanotechnology)，分子納米技術主要應用于原子工程與分子工程中的結構控制。納米技術于1 974年在東京制造業國際會議上被提出，它作為下一次工業革命中的重要部分，將促使通信行業迅速地轉向至下一代的通信標準。 圖3 5G網絡結構——納米核心 3.2. 納米終端(NE．Nano Equipment) 在當今社會，移動手機不再僅僅扮演通信設備的角色，而開始慢慢轉型到另一種獨立的角色。在5G通信中，那些所謂的移動終端將被植入納米技術的芯片，我們稱這種終端為“納米終端”。對于無線領域來說，環境智能的概念將作為中心理念之一被廣泛應用，納米終端將以智能的方式隨時給用戶提供完美的計算和通信。當然，這些納米終端將被人們在不同的場所進行運用(比如家庭、辦公室、公共場所)，因此納米終端將提供一個嶄新的平臺，這個平臺將提供前所未有的感應、計算、通信能力，具體表現如下： ● 自我清潔：終端將自我清理機身及內部結構中的塵土、硬盤中的垃圾文件，重整磁盤結構等。 ● 自我充電：終端從太陽能、水能、風能等可再生資源中獲取電量。 ●感應周圍環境：終端自動感應周圍天氣與空氣污染指數等。 ●柔韌的機身：可彎曲折疊，卻不易損壞。 ●透明：可以“看穿”的終端。 3.3. 云計算 云計算是一種運用于中央控制服務器上的技術，主要是在中央服務器上儲存數據和執行應用。可以運用云計算做到不在任何一個終端上儲存文件和安裝應用軟件，而是通過Intemet網絡連接來進行讀取與應用。同樣的概念也被應用于納米核心技術，納米核心技術運用于云端儲存技術中，用戶可以通過自己的隱私賬戶來管理全球性云端儲存服務器中的文件。云計算的發展孕育了極大的潛力，由于云計算要依靠網絡，所以它將是網絡發展的重要指標，并促使網絡不斷發展。同時，云計算的發展需要安全的、可信賴的服務運營商支持，這些運營商要在網絡方面有豐富的經驗，他們將被允許進入云計算平臺，并被要求在云計算平臺中運用統一的標準創造新的增值服務與體驗。這會使終端用戶獲得更多的即時應用，進而更有效地利用5G網絡。在安全性方面，可以利用量子密碼學進行實現(注：量子密碼學根據量子的不確定性，并以量子態作為信息載體，經由量子通道在合法的用戶之間傳送密鑰)。云計算的用戶可以避免不必要的資源浪費，并且可以減少物理儲存支出，也可以縮減為第三方儲存器代理方所提供的費用。云計算有3個主要的部分： ●應用：主要應用于即時軟件，即時軟件會分成不同的類別，他們擁有不同的價格與傳輸于終端客戶的方式，終端客戶需要購買一個服務器(終端)并通過Intemet來接收應用。 ●平臺：主要是說用戶通過中端儲存器與運營商完成應用與文件同步的平臺。 ●基礎建設：是整個云計算概念的核心支柱，運營商需要建立一個環境，并開放用戶權限，使用戶可以運用某種語言自行的創造應用。云儲存也是基礎建設中的一個重要部分。 5G納米核心有效地利用上述3點，將大大地滿足用戶需求。云計算概念的引入也將大大減少5G網絡發展中的資本投人。這意味著，用戶可以花更少的錢買到更多更好的服務。 3.4. 全IP網絡 我們已經討論了不同的5G納米核心技術，現在我們需要一個平臺來實現這些技術。因此，在5G網絡中，扁平化IP結構將扮演著至關重要的角色。所謂的全IP網絡就是3GPP系統的升級，它極大地滿足了現代無線通信的需求。為了滿足用戶通過無線網絡獲取即時數據應用的需求，無線運營商將提供扁平化IP網絡結構，首先要做的是把精力放到數據包轉換技術的提升上。全IP網絡將會提供一個持續的革新方案和優化方案，使運營商在產品的性價比方面更具有競爭性。扁平化IP的優點有以下5點： ●更少的支出。 ●全球性無縫鏈接。 ●更好的用戶體驗。 ●減少系統延遲。 ●核心網絡進化。 對于全IP網絡，驅使其發展的核心是要提供嚴格的IP化設備與終端，這就要求我們大力發展多核技術。同時，在網絡基礎建設不斷發展的過程中，也要求運營商提供更好的有線與無線通信服務，來滿足快速發展的網絡需求。 4. 5G中OSI模型簡述 5G技術的移動設備將能支持多種無線網絡，因此網絡層將分為兩個子層，對于移動終端來說，屬于上級網絡層，對于接口來說，屬于下級網絡層，這是互聯網的初始設計，所有的路徑都有IP地址為基礎，根據不同的IP地址來區分網絡中的不同終端與設備。 在無線領域，越高的比特率會引起更高的損耗，在5G無線通信技術中，損耗是由開放式傳輸協議(OpenTransport Protoco1)來控制的。同時，5G網絡中的傳輸層和對話層也支持這個協議。對于不用的網絡協議，應用層提供的服務管理的質量也不同(見表1)。 對于5G來說，最重要的表現在于雙向超大帶寬、擁塞少、平等的網絡利用率、lGbit／s的連接速度(見表2)。 表1 開放系統互連(OS1)模型實現 表2 5G通信技術簡介 5. 射束分割多址技術(BDMA)在5G中的應用 移動通信的目的是讓更少的話費享受更先進、更多樣化的通信服務。由于有限的頻率范圍，為用戶提供更多的系統空間和高質量的服務勢必會給無線通信帶來巨大的挑戰。應對這個挑戰的方法就在于如何利用有限的頻率與時隙，而多址技術能很好地完成了這個目的。目前，多址技術包括頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)、正交頻分多址(OFDMA)，具體如下： ●頻分多址：就是分割頻率資源并將其分配給不同的移動臺，同時允許提供多個信道地址。 ●時分多址：就是分割時隙資源并將其分配給不同的移動臺，同時允許提供多個信道地址。 ●碼分多址：就是將正交碼分配給不同的移動臺，并允許提供多個信道地址。 ●正交頻分多址：就是分割并分配正交頻率資源，以最大化資源功效。 在移動通信系統中，因為有限的頻率資源與時隙資源被分割，并被不同的用戶使用，所以有限的頻率與時隙決定了移動通信系統的容量。所以，不斷地增加移動基站數量與各自基站的數據量是未來網絡建設的趨勢。但是，由于頻率與時隙資源的有限陛，這就要求我們必須發展新的技術，而這種技術并不是通過頻率與時隙資源來實現系統容量增加的。 5.1. 射束分割多址的概念 當基站與移動臺之間產生通信連接時，一個正交的射束就會被分配給每一個移動臺。目前的射束分割多址技術主要內容是根據移動臺的位置，將一個天線射束分割，并允許移動臺提供多個信道，這樣會有效地提高系統的容量。當移動臺與某個基站清楚地明確彼此的位置的時候，它們就會在同一瞄準線上，這樣，就可以通過直接傳輸射束到彼此的位置上來進行通信，這樣可以避免干擾小區內其他移動臺。當不同的移動臺跟基站形成不同的方向角時，基站會根據不同的方向角同時發送射束來實現對不同的移動站發送數據。任何一個移動站不能利用唯一的一個射束，但是可以與其他相似角度的移動站分享同一個射束來實現與基站的通信連接。這些分享同一個射束的移動站被分割成同樣的頻率與時隙資源，并利用同樣的正交資源。根據不同的移動站的通信環境，基站可以更好地改變射束的方向、數量和帶寬。射束可以被分割成三維，這樣，頻率與時隙資源的空間將被最大化的利用。在通信建立的初始化階段，基站與移動站并不知道彼此的位置，這時移動站將會探測它們的位置和移動速度，并將探測到的位置與移動速度傳送給基站。接著，基站會根據移動站傳輸來的數據計算出一個下行射束的方向與帶寬。隨后，基站將根據計算出的方向與帶寬將這個下行射束發送到之前提供信息的移動站上。當移動基站接收到這個計算過方向和帶寬的下行射束時，它會追蹤這個下行射束的方向，并根據這個方向產生一個上行射束，然后按著這個方向傳送這個上行射束。當移動站產生上行射束后，在移動站與基站之間會形成一個周期性的射束傳輸系統。 6. 5G的應用 隨著目前電子制造業與軟件業的快速發展，越來越多的革新產品層出不窮，此時通信行業不僅要提供優越的服務，更要提供高質量的通信網絡環境。現代通信不但要滿足日常的語音與短信業務，還要提供強大的數據業務。5G技術的發展可以給客戶帶來的最直的觀感就是高速度、高兼容性。 6.1. 5G的高速度 根據目前4G中TD．LTE的官方統計數據來看，TD—LTE可以帶來40Mbi~s的下載速度，這樣的速度可以滿足高清視頻，高質量的音樂等大數據量傳輸的數據業務。而5G的下載速度可以達到3．6G／s，也就是28．8Gbifs。就目前市面上的硬盤讀寫速度來說，普通的硬盤讀寫速度達到了100M／s，而所謂突破了讀寫瓶頸的固態硬盤的讀寫速度達到了250M／s。可以看出，5G的速度遠遠超過了硬盤的讀寫速度，這意味著，傳統的儲存設備將在5G網絡中失去位置。我們可以做個大膽的假設，未來的移動終端是沒有儲存設備的，所有儲存將通過“云技術”實現。同樣，從新型的4k顯像技術來看，未來的視頻像素將達到超視網膜的顯示程度，這必然將視頻的數據大小提高到新的程度，所以對于在線視頻觀看的要求就要更高，3．6G／s的下載速度可以完全滿足這樣高清視頻的在線應用。下面介紹幾個具體應用。 (1)5G高速度在安卓系統(Android)的應用 安卓系統是一種基于Linux的自由及開放源代碼的操作系統，主要使用于移動設備(如智能手機和平板電腦)。Android的系統架構和其操作系統一樣，采用了分層的架構。從架構看(見表3)，Android分為4個層，從高層到低層分別是應用程序層、應用程序框架層、系統運行庫層和系統內核層。其中，在系統內核層中可以運用5G納米核心技術，來完成Android基礎文件與硬件驅動的完美分離。由于5G高速無線傳輸的特點可以無縫隙地將硬件驅動從云儲存端同步于終端，不但節省了終端的儲存空間，也極大地豐富了終端的硬件外設裝置。 表3 Android架構 由于安卓系統本身的開放性會導致安全性的降低，這往往對通信中的保密性要求帶來考驗，5G納米技術中的高保密性可以通過量子密碼學的相關加密，對安卓終端在通訊中的信息泄露形成保護。 (2)光場相機 光場相機就是一種可以先拍照后對焦的照相設備，通過光場技術的應用，拍照的時候只需要構圖即可，不需要對焦(因為這個可以在拍照完后在電腦上對焦)，這將會改變現在的拍照習慣。而這類相機將成為抓拍利器：無論抓拍的照片模糊與否，只要在相機的焦距范圍內，對焦點都可以在拍完之后隨意選擇，因為相機在拍照的時候就已經把焦距范圍內所有光學信息都記錄在內了。因此，光場照片的容量將極大，一張照片可達到200—500M左右，這需要強大的傳輸速度與儲存空間作為支持，5G的高速和云存儲的概念將大大滿足需求。該類產品對于將來的安防監控工作也會產生巨大作用。對于用戶來說，5G技術將提供更多的儲存空間與安全服務；對于營運商來說，5G終端將帶來更多的數據業務。 6.2. 5G的高兼容性 5G作為未來通信發展的趨勢，勢必承擔著統一通信行業的重任，根據5G技術的設計方向，將來的5G技術是一個可以囊括4G、3G、2G中所有通信協議以及Wi．Fi、NFC、BLUETOOTH等無線通信技術的全能通信平臺。高兼容性的通信平臺不但為運營商及設備商提供了更好的資源整合解決方案，大量地節約資本開支，更能大幅減少維護成本。 6.2.1. 利用5G高兼容性實現比特幣應用 隨著NFC(近距離無線技術)等無接觸技術的廣泛使用，5G技術更能滿足高兼容性、安全的支付方式，由此衍生出的一系列概念型產品也將慢慢受到世界各國金融界的認可，比特幣就是其中一個代表。 比特幣是一種由開源的P2P軟件產生的電子貨幣，是一種網絡虛擬貨幣。比特幣不依靠特定貨幣機構發行，而是通過特定算法的大量計算產生。比特幣經濟使用整個P2P網絡中眾多節點構成的分布式數據庫來確認并記錄所有的交易行為，P2P的去中心化特性與算法本身可以確保無法通過大量制造比特幣來人為操控幣值。 比特幣作為一種虛擬貨幣，慢慢被世界認可，并帶有了自身價值。隨著全球經濟一體化，比特幣為世界經濟貿易提供了一個新的支付平臺與方式。5G通信技術的安全、兼容性，可以為比特幣的交易提供一個有力的保障。 7. 結束語 5G通信技術的研發，勢必給通信行業帶來新一代的革新。根據目前中國運營商的運營收入成分來看，大多集中于語音、SMS服務上，所謂的高速數據服務還在一個相對緩慢的發展期，即將商業化的4G通信技術將會有效地緩解運營商資本支出與收入不匹配的尷尬境遇。但是，隨著網絡的日益強大，用戶對網絡的要求也更高，5G的研發與發展也被業內重視起來。 5G通信技術帶來的不僅僅是高速、安全的網絡，更多地是帶來全球化網絡的無縫連接，5G的兼容性，給各國通信行業帶來了一個新的平臺。在平等的條件下，中國的營運商如何提高服務，如何合理地建設網絡、調整運營策略，就變成了新的挑戰和任務。5G的兼容性也可以把終端生產廠商統一到一個平臺上，不同制式、規格的無線終端將被集成，這為全球的通信發展制定了統一的道路。 在5G通信技術發展的道路上，中國可以更好地引領世界經濟共同發展，更好地同步信息，促進全球經濟一體化。5G的未來對軍事、醫療、建筑、教育等各個方面都會帶來前所未有的信息便利，整個世界將建成更加智能、完善的移動網絡。 |
