5G智慧的无线通信力量

在技术发展的历史中，一个新时代正在开启。在这个时代里，数字通信将实现前所未有的高速传输能力，这种能力是现有的通信网络难以实现的。根据统计数据显示，到2024年，5G网络将覆盖全球40%的人口，并能够处理25%的移动通信数据流量。

本文将为您介绍以下章节内容：

1. 无线技术的历史
2. 5G概述
3. WISDOM（一种用于动态运行的无线创新通信系统）
4. GIMCV（全球信息多媒体通信）
5. 5G的要求/条件
6. 网络安全挑战
7. 总结

第一次无线传输，其实只是利用无线电波来传输摩尔斯电码而已。不过，无线通信的转折点在于手持设备的出现，这种设备能够实现无线通信。这一发明促成了技术的不断发展。让我们来看看移动无线技术的发展历程吧。

• 1G——第一代移动通信系统。
• 2G——第二代通信系统。
• 3G——第三代通信系统。
• 4G——第四代通信系统。
• 5G——第五代通信系统。

1G——第一代移动通信系统

第一代通信系统（1G）采用模拟技术，该系统于1978年由日本电话电报公司在日本投入使用。这种模拟系统的频率范围在800MHz到900MHz之间，带宽则达到了10MHz。1G系统仅提供语音服务，其接入技术为频分多址技术（FDMA）。不过，1G系统也存在着一些不可避免的缺点：

1. 多路传输的流量
2. 无法在不同国家之间进行操作
3. 安全性较低

2G——第二代通信系统

第二代通信系统是一种数字蜂窝系统，可以被称为标准的全球移动通信系统（GSM）。数字式通信是第二代系统的关键特性之一；它使得频谱的使用更加高效，同时还能减少语音通信所需的带宽。不过，它的缺点在于，其传输速度最高只能达到9.6 kbps，这对于提供互联网相关服务来说并不理想。
随后，又推出了2.5G和2.7G版本。2.5G系统采用通用分组无线服务标准，支持多种功能，比如无线应用协议、多媒体消息服务、短消息服务等。而2.7G则采用了EDGE技术，即GSM演进技术的增强型数据速率技术；与2.5G相比，2.7G的传输速度更快。

3G——第三代通信系统

第三代通信系统（3G）提供了高速的互联网接入，其传输速度可达384 kbps。3G技术可以支持视频通话、宽带无线数据传输、移动电视、GPS定位等功能。不过，3G系统也存在一些缺点：

1. 需要更高的带宽来支持更高的数据传输速率。
2. 成本高昂的基础设施
3. 频谱许可的费用非常高昂。

4G——第四代通信系统

第四代通信系统提供了高达100 Mbps的高速互联网接入，因此，它能够提供高质量的视频和音频流媒体服务。4G的主要标准有：

1. 全球范围内的微波互操作性
2. WiMax和长期演进技术（LTE）

与4G系统相关的某些技术挑战包括：

1. 高数据速率——OFDM技术、失真问题、MC-CDMA技术
2. Turbo，LDPC
3. MIMO设备
4. 认知无线电
5. 智能天线系统

5G概述

5G被视作第五代通信技术标准，它能够实现更快速的通信速度和无处不在的连接能力。这一第五代通信网络基于WISDOM技术架构，该技术能够实现诸如增强型移动宽带、超可靠低延迟通信以及大规模机器类型通信等先进功能。让我们详细了解一下这些技术吧。

增强型移动宽带 (eMBB)

Enhanced Mobile BRanding能够确保在广泛的覆盖范围内实现更快的数据传输速度。因此，eMBB可以为那些需要大量数据的应用以及引人注目的数字媒体提供更好的用户体验。它为5G用户提供了流畅且灵活的服务体验。其中一些服务包括：

1. 超高清显示屏。
2. 360度视频流媒体播放。
3. 沉浸式VR和AR应用。
4. 可穿戴移动设备中的高端功能。
5. 移动云。
6. 智能导航系统。
7. 实时互动游戏等等。

从上述特性来看，显然，eMBB不仅仅用于提供多媒体内容，它还为基于云的应用提供了更优质的用户体验。它还为智能办公应用定义了新的标准，比如使用360度视频进行虚拟会议、实时翻译等功能。

超可靠低延迟通信（URLLC）

URLLC能够实现超可靠的低延迟通信，这种技术可以被用于各种关键任务应用——比如远程手术、远程患者诊断、智能交通系统、智能电网等。它不仅能够确保数据的连续性和稳定性，还能确保通信的端到端安全性和可靠性。
对于5G网络来说，实现URLLC是一项具有挑战性的任务。由于URLLC对服务质量的要求（如空中接口延迟和系统可靠性）因应用场景而异，因此5G网络需要对其现有的电信基础设施进行相应的调整。 让我们来考虑一下空中接口延迟的情况。这种延迟取决于通道的质量以及所分配的带宽，而这些因素又会受到各种应用需求的影响而发生变化。 另一方面，实现可靠性同样是一项具有挑战性的任务。因为不同的移动应用程序所使用的重传方式各不相同。

大规模机器类型通信（MMTC）

大规模机器类型通信（Massive Machine Type Communication，简称MMTC）是一种通信方式，在这种通信方式中，各种机器能够在不经过人类干预的情况下相互传递信息。这种M2M数据共享方式可以被描述为智能机器之间的自动化数据交换过程。它为一款包含各种联网设备的网络提供了新的标准，这些设备共同构成了物联网（Internet of Things，简称IoT）。
MMTC与现有的通信模型有所不同，因为它包含了一组受功率限制的设备，同时其流量模式也各不相同。各种不同类型的设备以及不同的流量模式有助于满足各种需求，比如工业4.0、物联网、联网汽车、更有效的安全监控、POS系统等。
简而言之，eMBB能够提供广泛的覆盖范围；URLLC则能确保通信的超高可靠性和低延迟性。而MMTC则能够为数十亿的M2M设备提供高效且安全的无线连接与网络支持。这些技术共同构成了5G的特点。

WISDOM（用于动态运行的大规模通信系统的无线创新系统）

“WISDOM”是一个非常重要的概念，它解释了5G的工作原理。简单来说，我们可以将5G系统定义为4G技术和WISDOM技术的结合体。WISDOM能够提供高达太赫兹频率的信号传输能力，同时还能实现高达太比特每秒的数据传输速率。实际上，WISDOM是通过使用毫米波来达成这一目标的。接下来，让我们继续了解相关的信息吧。

1. 智慧的目标/宗旨
2. 五个独立向量
3. 智慧的支柱
4. 智慧建筑
5. 智慧带来的好处
6. 智慧挑战

智慧的目标/宗旨

WISDOM的主要目标是为以人类为中心的超级通信系统提供无线基础设施。这有助于将不同领域连接起来，从而缩小它们之间的通信差距，同时提升通信系统的容量和性能。实现这一目标的方法包括：

1. 设计出一种能够实现3到5倍更高信道效率的空中接口。
2. 实现全新的跨层与跨网络领域的优化技术。
3. 开发一个集成的智慧系统。
4. 采用尺寸较小的电池以及经过优化设计的虚拟电池，同时实现动态频谱的有效管理。

五个独立向量

下面图表中展示了这五个独立的向量。

有五个独立的要素，它们共同构成了“智慧”这一概念。这五个要素分别是：

1. 沟通。
2. 连接性。
3. 收敛性。
4. 内容。
5. 合作。

它能够满足当前的需求，比如实现快速的数据传输、使用单一的IP地址来实现全球范围内的连接、以及进行远程商务通信等。

智慧的支柱

WISDOM的主要目标是通过提升通信的传输能力和性能，实现不同领域的互联互通。同时，它还致力于为最终用户提供丰富的数字体验。WISDOM的各个组成部分在满足这一需求方面发挥着重要作用。

WISDOM的顶级设计是基于以下原则来设计的：三大基石它们如下所示：

信息论上的性能/容量估计：在这里，会考虑来自不同网络范式的信息，以评估该设计过程的效率和能力。

2. 端到端性能优化：这种性能优化方式能够提供高度可靠的通信连接，其效率远高于基于传统分层设计的通信系统。为了实现这种优化，采用了一种创新的传输协议，该协议与网络的有线部分（光纤）兼容。

3. 认知网络原则：这些原则使得我们能够考虑各种复杂的应用场景。同时，这些原则在减少频谱和能源需求方面也发挥着重要作用。在融合型WISDOM架构中，自组织/自愈的无线接入网络正是基于认知网络原理而构建的。

智慧建筑

WISDOM Architecture由三个主要组成部分构成。

1. 人与机器之间的交互/连接：P2MWISDOM架构中的P2M组件使得人类能够以不可思议的方式与机器进行交互和连接。 它能够应对当今的各种挑战——比如带宽需求、系统的异构性以及新系统的整合问题，还有各种不同的网络模式。同时，它还能提供无缝的人机交互体验。 该系统采用毫米波和亚太赫兹频率下的点对点MIMO技术，能够实现低比特率传输，最高可达1 Tbit/s。 P2M组件的一些应用包括物联网、无线传感器网络、MANET等。
2. 短距离通信（WPAN与WLAN）：WISDOM短距离组件拥有多个定向天线，这些天线会将信号传输到同一个终端上。 这种技术有助于创造空间上的多样性，同时减少视线受阻的情况。 它既支持无线个人区域网络（WPAN），也支持无线局域网（WLAN）。 该组件采用了多种通信方式，包括毫米波通信、多无线电通信、多跳通信、室内通信以及无线网格网络等。它能够提供稳定的10 Gbit/s传输速率，以及高达1太比特每秒的突发传输能力。 一些应用包括智能家居、儿童监控、沉浸式增强现实与游戏、智能头盔、智能汽车、绿色信息通信技术、个性化药物、智能机器人、触觉互联网、RFID等等。
3. 蜂窝网络与WMAN的范围：该组件提供了下一代蜂窝网络，这些网络由一系列无线基站组成。 设计一种融合型架构与网络解决方案非常重要，这样就能为未来的网络环境提供以人为中心的超级通信服务。 通过这一组件，WISDOM能够连接那些使用不同技术的网络节点，同时它还支持一些创新的解决方案。 它涉及一种基于传输、信号处理和调制技术的新型通信系统。 该系统利用了毫米波频段中的MIMO和虚拟MIMO技术，同时采用多种波束成形技术来在高频条件下实现高度定向的通信连接。 这个WISDOM组件能够提供可持续的、对称的300 Mbps连接（峰值速度为1 Gbit/s），同时还能实现完全的移动性。

智慧带来的好处

许多技术都可以从WISDOM中受益。具体包括以下几种：

1. 多媒体通信：智慧技术主要聚焦于机器对机器通信以及点对点通信领域。因此，它能够提升家庭网络、智慧城市以及技术-social系统的效率。
2. 认知通信：认知通信涵盖了多种服务，包括教育、办公、紧急救援、商业领域、智能交通系统等等。
3. 个性化医疗：这一领域包括生物信息学、人体传感器、多传感器网络、数据保护等方面。
4. 定位与定位技术：定位与定位技术包括：导航系统、无处不在且协同工作的定位技术、地理标记技术、机器人技术等等。
5. 未来网络：WISDOM能够标准化未来网络中的各种流程，比如物理安全、协作通信、物联网等。
6. 动态运行的巨型通信系统：WISDOM的另一个优势在于，它能够根据地理位置的变化来动态调整通信网络。下面我们来了解一下它的主要特点：
   • 具有潜力的频谱资源。
   • 新型的实现技术。
   • 降低了运营成本。
   • 覆盖范围较小，电力成本也较低。
   • 可扩展且灵活的技术选择。

WISDOM能够在不大的覆盖区域内实现更快的数据传输速度。它通过某种方式来确保这种覆盖效果的实现。全球信息多媒体通信系统（GIMCV）。

智慧挑战

让我们来看看WISDOM所面临的挑战吧。

在短距离范围内实现更高的数据传输速率（1太比特每秒）。

在短距离范围内实现 T 比特/秒的通信时，面临的一些主要挑战包括：

• 在利用超高频频段来实现更高数据速率时，存在诸多挑战。这些挑战包括：技术支持的局限性、缺乏关于超高频频段的详细参数信息、在传输技术中考虑CMOS组件时的限制，以及数字设备的通带范围不允许使用带宽超过2吉赫的信道。
• 需要采用创新的物理层技术和先进的认知网络架构，以便实现能够向同一终端发送信号的多方向天线技术。

2. 具备完全移动性的户外移动通信设备

为了实现全移动状态下的户外移动通信，即让单个用户能够以300 Mbps的速度进行通信。

• 需要根据传输、信号处理和调制技术来考虑新的通信系统。
• 为了实现高度定向的连接，需要采用MIMO技术、虚拟MIMO技术以及各种类型的波束成形技术。
• 使用小型基站和虚拟基站。

3. 融合型架构

设计一种融合架构，能够实现以人类为中心的超大规模通信系统中无处不在的太比特级无线连接。不过，这其中存在一些挑战：

• 提出一种创新的解决方案，该方案能够解决整个网络架构的问题，同时还能处理那些使用不同技术的网络节点的互联互通问题。
• 能够在各种频谱分配和干扰环境下进行操作。
• 为了实现融合架构中有线与无线部分之间的无缝连接，需要做到这一点。
• 在本地网络以及全球互联网层面，对网络算法和协议的设计。

GIMCV（全球信息多媒体通信）

WISDOM通过构建全球信息多媒体通信网络，实现了广泛的覆盖范围。其覆盖范围从城市到州，进而扩展到国家乃至整个世界。在了解GIMCV之前，我们先来了解一下蜂窝网络吧。
蜂窝网络由多个小区组成，每个小区都代表一个地理区域。 在这里，每个蜂窝站点或基站负责为相应的蜂窝区域提供网络覆盖。 在满足以下条件的情况下，一个小区可以使用多个频率，这些频率的范围从f1到f6。需要注意的是，相邻的小区不能使用相同的频率，否则就会产生同频干扰。 如果我们看一下蜂窝网络的层级结构，它主要由宏小区、微小区、皮诺小区和飞地小区组成。其中，宏小区的覆盖范围可达35公里；微小细胞的覆盖范围则可达2公里；皮诺小细胞的覆盖范围则可达200米；而飞地小区的覆盖范围则仅为10米。
全球信息多媒体通信系统由国家和国际区域组成，这些区域被划分为宏观单元。每个宏观单元再进一步划分为微观单元（即城市网络），而微观单元则包含微微单元（即家庭网络）。这种模型能够有效地将邻近的设备进行分组管理。

5G的技术要求

为了实现1 Tbit/s的数据传输速率，基于WISDOM技术的5G技术需要满足一些特定的要求。这些要求如下：

1. 使用单身份识别移动终端，从而实现无缝的网络连接。
2. 需要采用分布式天线系统以及多输入多输出（MIMO）天线技术来实现。
3. 在基于WISDOM的5G网络中，对D2D技术的利用
4. 需要那些目前未被用于蜂窝通信的频率段。
5. 可见光通信
6. 认知无线电技术

网络安全挑战

让我们来讨论一下一些与网络安全相关的挑战吧。

• 统一的技术方式避免了需要跨越网络边界的情况。因此，维护相关的操作规范就变得更加困难了。
• 这个统一的网络使得用户可以直接从CPSs中获取信息。这种直接访问方式，实际上会大大增加CPSs网络受到攻击的可能性。
• 统一之后，就很难区分什么是合法行为，什么是非法行为了。
• 通过M2M通信，一台机器可以利用另一台机器来实施非法活动。目前，还没有任何有效的法律来应对这种情况。
• 恶意设备可以在协作执行诸如频谱共享、频谱感知、频谱管理以及频谱移动性等功能的同时，对节点进行攻击。

总结

5G带来了另一场革命，它实现了5G智能核心、无处不在的连接性以及无处不在的网络连接，从而能够满足这一时代对高速网络的需求。不过，另一方面，我们仍然不清楚5G电磁辐射对人体的生物效应如何。