5G技术分析及趋势预测——物联网前沿关键技术发展趋势分析

开启万物互联的“5G”时代

——物联网前沿关键技术发展趋势分析

《物联网导论》课程报告

北京工业大学  XinyaoTian

June/1st/2018

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在前不久结束的 MWC 2018 上，5G 成了全球的一个热门话题，而国内对 5G 的关注度也是异常地高涨。5G(the 5th-Generation)，是“第五代移动通信网络”的简称。大众对于5G来临的亢奋情绪并不是什么难以理解的事情，因为物联网技术中的一项通讯技术——移动通信技术早已融入我们日常生活中的方方面面：几乎每天，我们都会在智能手机上浏览新闻、查收邮件；甚至使用iPad观看来自地球另一端的NBA比赛直播。这一系列看似平凡的、司空见惯的事情，其实都是由一套完备的、强大的移动网络通讯技术支撑的。可以说，如果没有移动网络通信的各项协议和技术，就没有我们今天多姿多彩的娱乐、学习和工作生活。

那么，5G的到来将会对我们的生活有什么影响呢？想搞清楚这个问题，就不得不从耳熟能详的2G、3G和4G技术说起。在今天分析5G的发展趋势，其实和在2G时代展望3G、或是在3G时代展望4G的发展如出一辙：只要分析清楚5G的关键技术同4G有什么改进，以及其在带宽等因素上的提升，也就不难想象出5G的应用场景和它可能带来的对我们生活的改变了。

在进行分析前，有一点需要向读者们明确：在物联网领域，往往是先有需求、后有技术；是由于业务的发展和用户的需求，导致用户“需要”更快、更稳定的网络，才催生了移动互联网络的更新换代；而不是反过来，国家和运营商先搭建了更快、更稳定网络，各种应用技术才出现。对于移动通信技术的发展顺序的分析，千万不能本末倒置。在下面的分析中，笔者也会着重按照这个逻辑顺序进行阐述。

 

首先，我们从带宽提升的角度进行分析。

其实，每次移动通信网络的更新换代，带宽的提升最为明显、最为重要、也是最能被普通用户直接感受到的改变。

在将近二十年前，人们的手中还没有功能丰富的“智能手机(smart phone)”——为了区别于固定电话(telephone)，当时比较常用的称呼是“移动电话(mobile phone/cell phone)”或“手机(handphone)”。这么称呼当然是有原因的，因为当时的“手机”是真真正正的、单纯的“通信工具”——除了接打电话、收发短信以外，几乎不能用它来做任何其他的事情。

由于当时的用户对于移动通信网络的需求仅停留在发短信(文本传输)和打电话(语音通信)这样的数据量级上，因此，当时的移动通信网络，2G网络的带宽只有150kbps——这意味着它有足够的能力对文本文字和语音进行传输。如果今天你使用2G网络去访问淘宝主页，你可能会怀疑手机没有连接网络——因为对于更大的数据文件，比如彩色图片等，2G网络就显得力不从心了。

随着时代的发展，各种技术争相出现：曾经只能用于打电话和发短信的“方块机”，渐渐变成了造型相对时尚的“翻盖机”；照相功能不再是数码相机的专利，因为低分辨率的摄像头被安装在了手机的背面；由于彩色屏幕的出现，各种简单的2D小游戏在手机上受到了热烈的追捧和欢迎。在这个应用场景下，面对用户们对手机日益增长的需求(图片的收发、小游戏的下载等)，2G网络就显得“不够用了”——人们热切地希望一个更快、更稳定的移动通信网络出现，这个网络可以支持人们在可接受的时间内收发一张彩色图片，或下载一个游戏。于是，3G网络应运而生。

3G网络的带宽为1-6Mbps,对于2G网络来说，这是在传输速度上的一次质的飞跃。人们可以很好地利用3G网络收发图片、qq表情，下载一些应用软件等等，需求被很好的满足了。

但是，很快，人们又有了新的需求。随着智能终端的引入，用户希望在智能移动设备上流畅地观看视频、直播，玩到画面质量更好的游戏，3G网络又显的不够用了。由于经历了2G向3G时代的飞跃，于是，3G时代就有很多人在展望4G——4G网络应该能够满足人们对于大量高清图片和视频的传输需求，4G时代应该是一个随时随地都可以拿起手机观看直播的梦幻时代。而今天，10-100Mbps的4G网络在全国全面普及，美梦真的变成了现实。

这也就是我们现在生活的时代——4G时代。

 

其次，我们从移动网络的通信协议上进行分析。

2G网络使用的是第二代无线蜂窝电话通讯协议，是以无线通讯数字化为代表，能够进行窄带数据通讯。常见2G无线通讯协议有GSM频分多址(GPRS和EDGE和CDMA)1X码分多址两种，传输速度很慢。

3G网络协议是在2G协议的基础之上经过改进而得到的。3G网络使用的是第三代无线蜂窝电话通讯协议，其主要是在2G的基础上发展了高带宽的数据通信，并提高了语音通话安全性。3G一般的数据通信带宽都在500Kb/s以上。目前3G常用的有3种标准：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA，传速速度相对较快。

4G网络使用了第四代无线蜂窝电话通讯协议，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以峰值100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到最快20Mbps，并能够满足目前几乎所有用户对于无线服务的要求。

 

最后，基于上述的带宽和通信协议两个维度的分析，笔者将对5G时代的发展趋势进行简要分析和预测。

即将到来的5G移动网络通信，同样也是由于新的需求和业务环境而促成的。由于云计算的发展日渐成熟，机器学习和人工智能的算法日益完善，庞大数据的传输交互成为大势所趋——无论是图像识别中的特征提取，还是利用各类人工智能算法进行预测分析，都需要庞大的数据量和计算量。而单机的运算处理能力，显然是无法应付如此庞大的数据处理需求的，因此最直接的解决方法就是：由感知层(往往是各种类型的传感设备)接收数据，通过传输层(无线低速网络、移动通信网络和互联网)进行数据传递至服务层(分布式数据库存储，分布式处理架构)，最后由应用层(也就是各种机器学习、人工智能算法模型)开展各项应用。

由于上述的需求，可以看出目前的业务场景对数据的传输能力又有了新的要求；又由于时下智能穿戴设备的火热(如iWatch、智能手环等)，故对于移动通信网络速度和可靠性的需求变得更为突出。许多国家重点项目，比如交通方面的机动车智能自动驾驶、安全方面的实时人脸识别匹配、以及方方面面的和“智能”有关的应用项目都需要一个更加迅速、更加可靠的引动通信网络为其提供支撑。5G的到来，就是为这些应用起到筑桥修路般支持作用。

因此，不难预见，在即将到来的5G时代，移动通信网络速度进一步提升，普通用户可以利用移动网络观看清晰度更高的视频、电影，保证更加流畅的视频通话；随着VR技术的发展，实时在线VR成为可能；在图像识别算法的保证下，自动驾驶将会变得更安全、更可靠，也会变得更为普及；自动化安保体系将会有质的飞跃，“摄像头联网”可以实现全自动化的实时报警甚至提前预警。也许有很多读者觉得这是天方夜谭，但随着5G网络的建设，这些应用都会一一变成现实，融入我们的生活，变得司空见惯、习以为常。

 

5G移动通信网络的到来，从技术的角度讲是一次飞跃；从国家的角度讲是通信技术领域的一次迈进，是信息建设的一块重要里程碑。移动通信网络作为国家的基础设施建设，其受益者绝不仅仅是信息技术行业——移动通信网络也会为国家的各个领域和行业提供支撑，为国家的发展和经济建设保驾护航。