現代智能控制實用技術叢書

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries信息的傳輸與通信技術信息的傳輸與通信技術簡介

《現代智能控制實用技術叢書》共分為四本，其內容按照信號傳輸的鏈條編寫：

傳感器

調制與解調

信息的傳輸與通信技術

智能控制技術的應用

本書系統地對信息傳輸與現代通信技術的密切關系、通信技術的發展簡史，現代通信技術的特點和發展趨勢進行了介紹；

簡述了世界通用的有線通信的載波技術、無線通信的微波接力通信的基本概念、基本原理，以及各類通信系統的組成、特點、優勢、不足及適用領域。信息的傳輸與通信技術簡介

本書還對現代通信技術的“高速公路”，即光導纖維通信、５Ｇ通信、衛星通信系統技術，以及近距離小容量的通信手段———無線保真（ＷｉＦｉ）、藍牙和可見光通信技術進行原理、功能及應用的闡述。

對未來的通信技術，即量子通信技術的概況進行介紹，并預測量子通信技術將在計算機技術、通信傳輸技術、衛星通信技術等方面應用的可期待前景。

本書可作為大專院校或高等院校智能控制類相關專業的參考書籍，也可供從事智能控制信息的傳輸方面的設計、制造、應用領域工作的工程技術人員作為參考資料。

信息的傳輸與通信技術叢書序

自動控制、智能控制、智慧控制是相對ＡＩ控制技術的普遍話題。在當今的生產、生活和科學實驗中具有重要的作用。

在控制技術中離不開將甲地的信息傳送到乙地，以便遠程監測（遙測）、視頻顯示和數據記錄（遙信）、狀況或數據調節（遙調）和智能控制（遙控），統稱為智能控制的四遙工程。

信息是物理現象、過程或系統所固有的。信息本身不是物質，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質和能量。

而信號則是信息的某種表現形式，是傳輸信息的載體。信號是物理性的，并且隨時間而變化，這是信號的本質所在。

在無線電通信中，電磁波信號承載著各種各樣的信息。所以信號是有能量的物質，它描述了物理量的變化過程，在數學上，信號可以表示為關于一個或幾個獨立變量的函數，也可以表示隨時間或空間變化的圖形。

信息的傳輸與通信技術叢書序

實際的信號中往往包含著多種信息成分，其中有些是我們關心的有用信息，有些是我們不關心的噪聲或冗余信息。傳感器的作用就是把未知的被測信息轉化為可觀察的信號，提取所研究對象的有關信息，將原始信息轉換成信號。將有效信息轉換成便于傳輸的信號，或將信號放大，或將較低頻率的原始信息“調制”到較高頻率的信號；滿足遠距離傳輸的要求，或將原始模擬信息處理為數字信號等。這就是智能控制發送部分的“職責”———信息的收集與調制。然后，將調制后的信號置于所選取的傳輸通道上進行傳輸，使調制后的信號傳輸至信宿端———乙地在乙地接收到經傳輸線路傳送來的信號后，然后進行調制器的反向操作“解調”。即將高頻信號或數字信號還原成原始信息。

信息的傳輸與通信技術叢書序

原始信息通過揚聲器器（還原的音Ⅳ頻信號）、顯示器（還原的圖像或視頻信號）、打（還原的計算結果）或進行力學、電磁學、光學、聲學等轉換，對原始信息控制目的物進行作用，從而達到智能控制的目的。本套叢書就是對智能控制系統中各個環節的一些關鍵技術的原理、特性、基本計算公式和方法、基本結構的組成、各個部分參數的選取，以及主要應用場合及其優勢和不足等問題進行討論和分析。本套叢書則沿著“有效信息的取得”、“有效信息的調制”、“調制信號的傳輸“、“調制信號的解調”以及“智能控制系統的舉例應用”這一線索展開，對比較典型的智能控制系統，應用于實踐的設計計算及控制的邏輯關系進行舉例論述。本套叢書雖然經歷了十多年的知識積累，但仍然覺得時間倉促，加之水平有限，錯誤與疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正。編撰者

蘇遵惠

信息的傳輸與通信技術

叢書序

前言第一章簡說通信技術與信息傳輸第三節現代通信技術特點第五節網絡通信技術的發展第二章世界通用的通信技術

第二節有線通信的載波通信技術

第三節微波接力通信和衛星微波

通信第三章通信技術的“高速公路”第一節通信技術的“高速公路”

概述

第二節無線通信的第五代移動通信技術——５Ｇ第三節近距離小容量無線通信技術——無線保真通信、藍牙通信、可見光通信第四節有線通信的光導纖維通信技術

第四章通信技術的綜合應用———脈沖碼編調制的可見光通信系統第五章未來的量子通信技術

第一節量子通信技術

第二節量子計算機的工作原理附錄附錄Ａ名詞術語及解釋附錄Ｂ相關技術標準參考文獻重點目錄

信息的傳輸與通信技術正文第三章通信技術的“高速公路”第一節通信技術的“高速公路”概述第二節無線通信的第五代移動通信技——５G

第三節近距離小容量無線通信技術第四節有線通信的光導纖維通信技——OFC

信息的傳輸與通信技術正文第一節

通信技術的“高速公路”概述

一、從“５Ｇ熱”說起

簡單來說，５Ｇ就是第五代通信技術，主要特點是波長為毫米級、超寬帶、超高速度、超低延時（相對４Ｇ而言）。

１Ｇ：實現了模擬語音通信，大哥大沒有屏幕只能打電話；

２Ｇ：實現了語音通信數字化，功能機有了小屏幕，可以發短信；

３Ｇ：實現了語音以外圖片等的多媒體通信，屏幕變大，可以看圖片；

４Ｇ：實現了局域高速上網，大屏智能機可以看短視頻，但在城市信號好，農村信號差。如圖3-1所示。

而現代通信對傳輸速度、傳輸保真度要求越來越高，才體現出無線通信的瓶頸所在，無線通信與有線通信的對比，如圖3-2所示。

信息的傳輸與通信技術正文第一節

通信技術的“高速公路”概述

一、從“５Ｇ熱”說起

圖3-1便攜式無線通信系統結構示意圖

信息的傳輸與通信技術正文第一節

通信技術的“高速公路”概述二、中頻至超高頻的信道通信

對于無線通信，目前主要使用電波進行通信。當然，光波通信也在崛起，例如LiFi（可見光通信）。無線電波的頻率資源是有限的。為了避免干擾和沖突，要在電波這條公路上進一步劃分“車道”，分配給不同的對象和用途。而現在用得比較多的是手機通信，主要是應用中頻至超高頻的頻譜，頻道的頻率分配見表3-1和表3-2。圖3-2無線通信與有線通信

的能力比較示意圖

信息的傳輸與通信技術正文

第一節

通信技術的“高速公路”概述二、中頻至超高頻的信道通信

（一）頻道用途劃分

表3-1頻道用途的劃分表名稱符號頻率波段波長主要用途甚低頻VLF3-30KHz超長波1000Km～100Km海岸潛艇通信；遠距離通信；超遠距離通信。低頻LF30-300KHz長波10Km～1Km越洋通信；中距離通信；地下巖層通信；遠距離導航。中頻MF0.3-3MHz中波1Km～100m船用通信；業余無線電通信；中距離導航移動通信。高頻HF3-30MHz短波100m～10m遠距離短波通信；國際定點通信；移動通信。甚高頻VHF30-300MHz米波10m～1m電離層散射；流星余跡通信；人造電離層通信；對空間飛行體通信；移動通信。特高頻UHF0.3-3GHz分米波1m～0.1m小容量微波中繼通信；對流層散射通信；中容量微波中繼通信；移動通信（2～4G）超高頻SHF3-30GHz厘米波10cm～1cm大容量微波中繼通信；移動通信（4～5G）衛星通信；國際海事衛星通信。極高頻EHF30-300GHz毫米波10mm～1mm再入大氣層時的通信；波導通信。

信息的傳輸與通信技術正文

第一節

通信技術的“高速公路”概述二、中頻至超高頻的信道通信

（二）我國LTE頻譜劃分

表3-2我國各通信運營商的頻譜資源分配表

信息的傳輸與通信技術正文

第一節

通信技術的“高速公路”概述二、中頻至超高頻的信道通信

（二）我國LTE頻譜劃分

大小例如經常說的“GSM900”、“CDMA800”,其實是指工作頻段在900MHz的GSM和工作頻段在800MHz的CDMA。目前全球主流的4G-LTE技標準屬于特高頻和超高頻，我國主要使用超高頻。可見，隨著1G、2G、3G、4G的發展，使用的電波頻率越來越高。這主要是因為頻率越高，能使用的頻率資源越豐富，能實現的傳輸速率就越高，就會帶來更多的頻率資源，便會有更大的客戶容量和更快的傳輸速度。

信息的傳輸與通信技術正文

第一節

通信技術的“高速公路”概述三、超高頻和極高頻信道通信——毫米波通信

大小如果按28GHz來算，根據前文提到的公式，則可計算其波長為:這就是５Ｇ的第一個技術特點———毫米波。根據2017年12月發布的V1500版的TS38104規范，5GNR頻率范圍分別定義為不同的FR1和FR2。其頻率范圍見表3-3，5G的頻率范圍分為兩種:一種是6GHz以下（超高頻）,這個和目前的2G/3G/4G差別不太大。還有一種是24GHz以上（極高頻）,目前國際上的5G通信主要使用28GHz進行試驗和使用。在NR頻段內的FR1和FR2又各分為若干頻段編號，見表3-4和表3-5。

信息的傳輸與通信技術正文

第一節

通信技術的“高速公路”概述三、超高頻和極高頻信道通信——毫米波通信

（二）我國LTE頻譜劃分

信息的傳輸與通信技術正文

第一節

通信技術的“高速公路”概述三、超高頻和極高頻信道通信——毫米波通信

（二）我國LTE頻譜劃分

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第一節

通信技術的“高速公路”概述三、超高頻和極高頻信道通信——毫米波通信

（二）我國LTE頻譜劃分

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第一節

通信技術的“高速公路”概述三、超高頻和極高頻信道通信——毫米波通信

（二）我國LTE頻譜劃分

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第一節

通信技術的“高速公路”概述三、超高頻和極高頻信道通信——毫米波通信

（二）我國LTE頻譜劃分

頻譜從上列表3-3～表3-5中可見，5GNR頻段中包含了部分在1～4Ｇ中使用的LTE頻段，也新增了一些頻段，即n50、n51、n70及以上頻段。目前全球在5G中最先部署的頻段為n77、n78、n79(3.3～4.2GHz，4.4～5.0GHz等頻率范圍）和n257、n258、n260頻段(26GHz，28GHz，39GHz等頻率范圍）。衛星通信和GPS導航（波長1cm左右）,信號不能遮擋，接收衛星信號的天線必須正對著衛星方向，立體角的誤差直接影響信號質量。移動通信在高頻段，最大的問題就是傳輸距離大幅度縮短，覆蓋能力大幅度減弱。覆蓋同一個區域需要的5G基站數量將大大超過4G。

信息的傳輸與通信技術正文

第一節

通信技術的“高速公路”概述四、無線通信的基站和微基站

基站數量意味著投入的成本。頻率越低，網絡建設的成本就越低。這就是為什么在頻譜資源分配之前，電信、移動、聯通都在爭得低頻段的頻譜資源的緣故。為了在高頻率段降低網絡建設的成本壓力，5G基站采用了兩種方式，即微基站和宏基站。微基站很小，宏基站很大如圖3-3所示。

１）宏基站：室外常見的高塔形或高柱形，建一個宏基站可覆蓋一大片接收范圍。

２）微基站：體積更小的基站，如現在家庭使用的只有書本大小。其實，微基站現在就有不少，尤其是城區和室內經常能看到。到了5G時代，微基站會更多，幾乎隨處可見。基站數量越多，每一個微基站發射的功率越小，輻射也會越小。對人體的危害也會減小。

信息的傳輸與通信技術正文

第一節

通信技術的“高速公路”概述四、無線通信的基站和微基站

圖3-34G/5G的基站與微基站實物和信號分布范圍示意圖

信息的傳輸與通信技術正文

第一節

通信技術的“高速公路”概述五、微米波通信的天線

天

線

去

哪

了

？以前大哥大都有很長的天線，

早期的手機也有突出來的小天線，

為什么現在的手機都沒有天線了？

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第一節

通信技術的“高速公路”概述五、微米波通信的天線

其實，并不是不需要天線，而是天線變小了！

根據天線特性，天線長度應與波長成正比，大約在波長的1/10～1/4之間。所以手機的通信頻率越來越高，波長越來越短，天線也就越來越短。手機的通信頻率越來越高，波長越來越短，天線也就越來越短。毫米波通信時，天線也變成毫米級，這就意味著天線完全可以塞進手機里面，甚至可以塞很多根，如圖3-4所示。

信息的傳輸與通信技術正文

第一節

通信技術的“高速公路”概述五、微米波通信的天線

其實，并不是不需要天線，而是天線變小了！

圖3-4天線長度與波長之間的關系示意圖1G3G4G

信息的傳輸與通信技術正文

第一節

通信技術的“高速公路”概述六、波束賦形

信號是向四周發射的。如燈光一樣，如果只是想讓燈光照亮某個區域或物體，那么大部分的光都被浪費了。基站也是一樣，天線陣列的電波向四周輻射，則大量的能量和資源都浪費了。如果能將散開的光束縛起來，這樣既節約了能量，也保證了需照亮區域足夠的亮度。同理，天線電波輻射時，天線陣列中的每一根天線的波長只向一定的角度輻射，使之既節約能源，之間也不產生干擾，這就是所謂的波束賦形技術。

定義：通過多個天線形成陣列，有效控制每個天線發出各自的振幅和相位，使電磁波在空間中互相抵消或者增強，形成一個很窄波束，將能量聚集上面定向傳輸，實現傳輸效率的快速提升，補償毫米波快速衰減的頻譜特性，叫作波束賦形。

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第一節

通信技術的“高速公路”概述六、波束賦形

波束賦形的工作形態分為４種：

無指向性、

銳心型指向性、

雙指向性

單一指向性

其形態在所有形態下均可以逆轉，且指向性銳度可以進行調整。

其圖3-6波束賦形的各種形態示意圖,見書中P54

所示。

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第一節

通信技術的“高速公路”概述七、關于Ｄ２Ｄ

波束在目前的移動通信網絡中，即使是兩個人面對面的手機聯絡，其信號（包括控制信令和數據包）必需通過基站進行中轉。而在5G時代，這種情況就不一定了。

５Ｇ的第五大特點——D2D，也就是“設備到設備”（DevicetoDevice）通信方式。在同一基站下的兩個用戶互相進行通信，他們的數據將不再通過基站轉發，而是直接手機到手機。節約了大量的空中資源，也減輕了基站的壓力。非D2D和D2D傳輸信道示意圖如圖3-7所示。圖3-7非D2D和D2D

傳輸信道示意圖

信息的傳輸與通信技術正文第二節無線通信的第五代移動通信技術———５Ｇ

一、５Ｇ概述

第五代移動通信技術（5thGenerationMobileCommunicationTechnology）簡稱5G，是具有高速率、低時延和大連接特點的新一代寬帶移動通信技術，是實現人-機-物互聯的網絡基礎設施。

國際電信聯盟（ITU）定義了5G的三大類應用場景：

增強移動寬帶（eMBB）

超高可靠低時延通信(uRLLC)

海量機器類通信(mMTC)。

增強移動寬帶（eMBB）

主要面向移動互聯網流量爆炸式增長，為移動互聯網用戶提供更加極致的應用體驗；

超高可靠低時延通信(uRLLC)

主要面向工業控制、遠程醫療、自動駕駛等對時延和可靠性具有極高要求的垂直行業應用需求；

海量機器類通信(mMTC)

主要面向智慧城市、智能家居、環境監測等以傳感和數據采集為目標的應用需求。

信息的傳輸與通信技術正文第二節無線通信的第五代移動通信技術———５Ｇ

一、５Ｇ概述ITU定義了5G八大關鍵性能指標：

其中:高速率、低時延、大連接成為5G最突出的特征，用戶體驗速率達1Gbps，時延低至1ms，用戶連接能力達100萬連接/平方公里。2018年6月3GPP發布了第一個5G標準（Release-15），支持5G獨立組網，重點滿足增強移動寬帶業務。2020年6月Release-16版本標準發布，重點支持低時延高可靠業務，實現對5G車聯網、工業互聯網等應用的支持。Release-17（R17）版本標準,重點實現差異化物聯網應用，實現中高速大連接，于2022年6月發布。2020年4月8日，中國移動、中國電信、中國聯通攜手11家合作伙伴共同發布《5G消息白皮書》，三大運營商在2020年推出5G消息。

信息的傳輸與通信技術正文第二節無線通信的第五代移動通信技術———５Ｇ

二、５Ｇ的發展背景移動通信每十年更新一代技術的發展規律，已歷經1G、2G、3G、4G的發展。每一次代際躍遷，每一次技術進步，都極大地促進了產業升級和經濟社會發展。從1G到2G實現了模擬通信到數字通信的過渡，移動通信走進了千家萬戶。從2G到3G、4G實現了語音業務到數據業務的轉變，傳輸速度成百倍提升，促進了移動互聯網應用的普及和繁榮。4G網絡造就了互聯網經濟，解決了隨時隨地通信的問題，移動數據業務流量爆炸式增長。

但4G移動通信系統難以滿足數據流量日益增長的需求，亟須研發下一代移動通信——5G系統。

信息的傳輸與通信技術正文第二節無線通信的第五代移動通信技術———５Ｇ

二、５Ｇ的發展背景5G作為一種新型移動通信網絡，不僅要解決人與人通信問題，為用戶提供增強現實、虛擬現實、超高清（3D）視頻等更加身臨其境的極致業務體驗，更要解決人與物、物與物通信問題，滿足移動醫療、車聯網、智能家居、工業控制、環境監測等物聯網應用需求。5G將滲透到經濟社會的各領域，成為支撐經濟社會數字化、網絡化、智能化轉型的新型基礎設施。

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三、５Ｇ的發展歷程

2013年2月，歐盟宣布撥款5000萬歐元，加快5G移動技術的發展，計劃2020年推出成熟的5G標準。

2013年4月，中國工信部、發展改革委、科技部共同支持成立IMT-2020(5G)推進組，旨在組織國內各方力量、積極開展國際合作推動5G國際標準發展。2013年4月19日推進組第一次會議在北京召開。

2014年5月8日，日本電信營運商NTTDoCoMo宣布與Ericsson、NokAI、Samsung等六家廠商合作，開始測試高速5G網絡，傳輸速度可提升至10Gbps。預計在2015年展開戶外測試，并期望于2020年開始運作。

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三、５Ｇ的發展歷程

2016年1月中國5G技術研發正式啟動，于2016-2018年進行實施階段，分為：5G關鍵技術試驗、5G技術方案驗證和5G系統驗證三個階段。

2016年5月31日

由中國、歐盟、美國、日本和韓國5個5G推進組織聯合主辦的第一屆全球5G大會在北京舉行。

2017年11月15日

中國工信部發布《關于第五代移動通信系統使用3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段相關事宜的通知》，確定5G中頻頻譜并兼顧系統覆蓋和大容量的基本需求。

2017年11月

中國工業和信息化部發布正式啟動5G技術研發試驗第三階段工作的通知，并力爭于2018年年底前實現第三階段試驗基本目標。

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三、５Ｇ的發展歷程

2017年12月21日在國際電信標準組織3GPPRAN第78次全體會議上，5GNR首發版本正式凍結并發布。

2017年12月發改委發布《關于組織實施2018年新一代信息基礎設施建設工程的通知》，要求2018年將在不少于5個城市開展5G規模組網試點，每個城市5G基站數量不少50個、全網5G終端不少于500個。

2018年2月27日華為在MWC2018大展上發布了首款3GPP標準5G商用芯片巴龍5G01和5G商用終端，支持全球主流5G頻段，包括Sub6GHz（低頻）、mmWave（高頻），理論上可實現最高2.3Gbps的數據下載速率。2018年6月13日

3GPP5GNR標準SA（Standalone，獨立組網）方案在3GPP第80次TSGRAN全會正式完成并發布，標志著首個完整意義的國際5G標準正式出爐。

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三、５Ｇ的發展歷程

2018年12月1日韓國三大運營商SK、KT與LGU+同步在韓國部分地區推出5G服務，在全球首次實現商用。

2018年12月10日工信部正式對外公布：已向中國電信、中國移動、中國聯通發放了5G系統中低頻段試驗頻率使用許可。2019年4月3日韓國電信公司（KT）、SK電訊株式會社以及LGU+三大韓國電信運營商正式開啟5G移動通信的入網服務。2019年4月3日美國最大電信運營商Verizon宣布，即日起在芝加哥和明尼阿波利斯的城市核心地區部署“5G超寬帶網絡”。

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三、５Ｇ的發展歷程

2019年6月6日工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放5G商用牌照，中國正式進入5G商用元年。

2019年10月

中國5G基站正式獲得了工信部入網批準并頒發了國內首個5G無線電通信設備進網許可證。

2019年10月31日

中國三大運營商于11月1日正式上線5G商用套餐。并向有條件的重點縣鎮逐步覆蓋。

2020年6月1日工信部部長在兩會“部長通道”接受媒體采訪時說，2020年以來5G建設每周增加1萬多個5G基站。累計超過3600萬戶。

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三、５Ｇ的發展歷程

2020年9月5日工業和信息化部在中國國際服務貿易交易會舉行的數字貿易發展趨勢和前沿高峰論壇上表示，當前中國5G用戶已超過6000萬戶。

2020年12月22日工信部向中國電信、中國移動、中國聯通三家電信運營企業頒發5G中低頻段頻率使用許可證。加快推動5G網絡規模部署。

2021年3月8日工業和信息化部表示，截至2020年底，我國已累計建成5G基站71.8萬個，“十四五”期間，我國將建成系統完備的5G網絡。工信部起草編制的《5G應用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）》征求意見稿出臺。

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四、５Ｇ的性能指標

１、峰值速度

需要達到10～20Gbit/s,以滿足高清視頻、虛擬現實等大數據量傳輸。２、空中接口時延

需低至1ms，滿足自動駕駛、遠程醫療等實時監控應用。３、具備百萬連接/Km2的設備連接能力，滿足物聯網通信的容量需求。４、頻譜效率

要比LTE提升3倍以上。５、用戶體驗速率

在連續廣域覆蓋和高移動性下，達到100Mbit/s。６、流量密度達到10Mbit/s/m2以上。７、移動性

支持500Km/h的高速移動，以滿足高鐵或將來更高速的運輸工具的要求。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（一）概要

在5G起步的情況下，建立一套全面的5G關鍵技術評估指標體系和評估方法，實現客觀有效的第三方評估，為服務技術與資源管理的需要。

國家無線電管理技術機構：國家無線電監測中心（以下簡稱監測中心）的工作及建設：1、監測中心頻譜工程實驗室建設；

2、開放式電磁兼容分析測試平臺建設；3、大規模軟件、硬件及高性能測試儀器儀表的集成與應用；4、為無線電管理機構、科研院所及業界等提供無線電系統研究、開發與驗證實驗環境。利用該平臺搭建5G系統測試與驗證環境，從而實現對5G各項關鍵技術客觀高效的評估。5、監測中心為5G頻率規劃、監測以及關鍵技術評估測試驗證等工作提前進行技術儲備。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（一）概要

在5G起步的情況下，建立一套全面的5G關鍵技術評估指標體系和評估方法，實現客觀有效的第三方評估，為服務技術與資源管理的需要。

國家無線電管理技術機構：國家無線電監測中心（以下簡稱監測中心）的工作及建設：1、監測中心頻譜工程實驗室建設；

2、開放式電磁兼容分析測試平臺建設；3、大規模軟件、硬件及高性能測試儀器儀表的集成與應用；4、為無線電管理機構、科研院所及業界等提供無線電系統研究、開發與驗證實驗環境。利用該平臺搭建5G系統測試與驗證環境，從而實現對5G各項關鍵技術客觀高效的評估。5、監測中心為5G頻率規劃、監測以及關鍵技術評估測試驗證等工作提前進行技術儲備。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（二）５Ｇ關鍵技術解讀

在5G國際技術標準重點滿足靈活多樣的物聯網需要。

在OFDMA和MIMO基礎技術上，5G為支持三大應用場景，采用了靈活、全新的系統設計。

1、在頻段方面，5G針對中低頻和高頻設計了統一的技術方案，與4G支持中低頻不同，5G同時支持中低頻和高頻頻段，其中中低頻滿足覆蓋和容量需求，高頻滿足在熱點區域提升容量的需求，并支持百MHz的基礎帶寬。

2、為了支持高速度傳輸和更優覆蓋，5G采用LDPC(低密度奇偶校驗碼)、Polar（極坐標編碼）等新型信道編碼方案、性能更強的大規模天線技術等。

3、為了支持低時延、高可靠性，5G采用短幀、快速反饋、多層／多站數據重傳等技術。

信息的傳輸與通信技術正文第二節無線通信的第五代移動通信技術———５Ｇ

五、５Ｇ的關鍵技術

（二）５Ｇ關鍵技術解讀

１、高頻段傳輸

采用高頻段（如毫米波、厘米波頻段）可用頻譜資源豐富，

２、新型多天線傳輸多天線技術從無源到有源，從2D到三維3D,從高階M1、M0到大規模陣列，實現頻譜效率提升數十倍甚至更高，是５Ｇ技術重要的研究方向之一。

３、同時同頻全雙工在相同的頻譜上，通信的收發雙方同時發射和接收信號，理論上使空口頻譜效率提高1倍,但需要具備極高的抗干擾能力。

４、Ｄ２Ｄ模式Ｄ２Ｄ技術無需借助基站的幫助就能夠實現通信終端之間的直接通信，拓展網絡連接和接入方式。

信息的傳輸與通信技術正文第二節無線通信的第五代移動通信技術———５Ｇ

五、５Ｇ的關鍵技術

（二）５Ｇ關鍵技術解讀

５、密集網絡超密集網絡能夠改善網絡覆蓋，大幅度提升系統容量，并且對業務進行分流，具有更靈活的網絡部署和更高效的頻率復用。所以，干擾消除、小區快速發現、密集小區間協作、基于終端能力提升的移動性增強方案等，都是目前密集網絡方面的研究熱點。

６、新型網絡架構未來5G可能采用無線接入網絡RadioAccessNetwork，C-RAN）接入網架構。C-RAN的基本思想是通過充分利用低成本高速光傳輸網絡，直接在遠端天線和集中化的中心節點間傳送無線信號，以構建覆蓋上百個基站服務區域，甚至上百平方公里的無線接入系統。適于采用協同技術，能夠減小干擾，降低功耗，提升頻譜效率，同時便于實現動態使用的智能化組網。其研究內容為C-RAN的架構和功能，如集中控制、基帶池RRU接口定義、基站簇、虛擬小區等。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（三）我國華為推出的5G網絡關鍵技術詳解

中國華為公司主推的PolarCode（極化碼）方案，成為5G控制信道eMBB場景編碼方案。除了編碼之外，5G還有哪些關鍵技術呢？3GPP定義了5G三大場景：

1、增強型移動寬帶（eMBB，EnhanceMobileBroadband）按計劃能夠在人口密集區為用戶提供1Gbps用戶體驗速率和10Gbps峰值速率，在流量熱點區域，可實現每平方公里數十Tbps的流量密度。

2、海量物聯網通信（mMTC，MassiveMachineTypeCommunication）不僅能夠將醫療儀器、家用電器和手持通訊終端等全部連接在一起，還能面向智慧城市、環境監測、智能農業、森林防火等以傳感和數據采集為目標的應用場景，并提供具備超千億網絡連接的支持能力。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（三）我國華為推出的5G網絡關鍵技術詳解

3、低時延、高可靠通信（uRLLC，UltraRelAIble&LowLatencyCommunication）主要面向智能無人駕駛、工業自動化等需要低時延高可靠連接的業務，能夠為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業務可靠性保證。可見，相對于4G，5G通信能夠提供覆蓋更廣泛的信號，而且上網的速度更快、流量密度更大，同時還將滲透到物聯網中，實現智慧城市、環境監測、智能農業、工業自動化、醫療儀器、無人駕駛、家用電器和手持通訊終端的深度融合，就是萬物互聯。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（三）我國華為推出的5G網絡關鍵技術詳解

中國華為主推的Polar（極性代碼）、信道控制eMBB（動態寬帶）場景，與美國主推的LDPC（低密度奇偶校驗碼）和法國主推的Turbo2.0（睿頻加速處理器）進行比較分析，可以說在同一技術水平級別。

高通和華為爭奪的eMBB場景編碼方案，本身并不能成為核心專利。一般而言，物理層是共認的最核心的關鍵技術，這其中就包括編碼，編碼一方面可以傳遞信號，先進的編碼技術會增加抗干擾能力！

Turbo2.0、PolarCode、LDPC就是法國、中國、美國主推的編碼方案。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（三）我國華為推出的5G網絡關鍵技術詳解

另外一個就是多址技術，其是解決多個用戶同時和基站通信的問題。

第一代通信采用的是頻分多路復用技術（FrequencyDivisionMultipleAccess，FDMA）；

第二代通信采用的是時分多址技術（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）；

第三代通信采用的是碼分多址技術（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）；

第四代通信采用的是正交頻分多址技術（OrthogonalFrequency-DivisionMultipleAccess，OFDMA）；

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五、５Ｇ的關鍵技術

（三）我國華為推出的5G網絡關鍵技術詳解

5G時代多址是一個很關鍵的爭奪點，現在流行看法就是非正交多址接入技術（5G中non-orthogonalmultiple-access，NOMA）。優點有二：其一，上行的鏈路級的流量以及支持過載的能力增強了；其二，在給定系統中斷的情況下的包到達率增強了。

不過，有學者認為NOMA是否能問鼎5G時代的主流，學術界仍存在一定分歧。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（四）多天線技術

華為5G網絡還有一項關鍵技術就是多天線技術（MassiveMIMO）。簡而言之，就是在現有多天線的基礎上再增加天線數，配置數十根、甚至數百根以上天線，支持數十個獨立的空間數據流，實現用戶系統頻譜效率的大幅提升。在理論上能把容量提高很多倍。

MassiveMIMO的好處在哪里呢？１）可以提供豐富的空間自由度，支持空分多址SDMA;２）BS能利用相同的時頻資源為數十個移動終端提供服務；３）提供了更多可能的到達路徑，提升了信號的可靠性；４）提升小區峰值吞吐率；５）提升小區平均吞吐率；６）降低了對周邊基站的干擾；７）提升小區邊緣用戶平均吞吐率。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（四）多天線技術

在理想傳播模型中，當發射端的發射功率一定時，接收端的接收功率與波長的二次方、發射天線增益和接收天線增益成正比，與發射天線和接收天線之間的距離的二次方成反比。在5Ｇ毫米波段，無線電波的波長是毫米數量級，而2G/3G/4G是分米波或厘米波。相比之下，毫米波段信號衰減嚴重得多，導致接收天線接收到的信號功率顯著減少。

條件：1、國家對天線功率有上限限制，發射功率不可能隨意增加；2、不可能改變發射天線和接收天線之間的距離；3、受制于材料和物理規律，發射天線和接收天線的增益不可能無限提高。

結果：可行的解決方案是：增加發射天線和接收天線的數量，

即采用多天線陣列技術。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（四）多天線技術

3GPPR1-136362對5G引入MassiveMIMO的動機做了很好的總結：移動通信使用的無線電波頻率的提高，路徑損耗也隨之加大。而載波頻率提高意味著天線變小。即在同樣的空間里，我們可以塞入越來越多的高頻段天線。所以，可以通過增加天線數量來補償高頻路徑損耗，而不會增加天線陣列的尺寸。當頻率超過10GHz，對于非視距傳播鏈路，衍射不再是主要的信號傳播方式，反射和散射成為主要的信號傳播方式。高頻對穿過建筑物的穿透損耗也會大大增加。這些因素都會增加信號覆蓋的難度，特別是對于室內覆蓋來說，用室外宏站覆蓋的方案對于室內用戶切不可行。而使用多天線陣列，能夠生成高增益、可調節的賦形波束，從而明顯改善信號覆蓋，因其波束非常窄，可以大大減少對周邊的干擾。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（四）多天線技術

移動多天線陣列的大部分發射能量聚集在一個非常窄的區域，即使用的天線越多，波束寬度越窄。多天線陣列的不同波束都有各自的聚焦區域，而且每一波束區域都非常小，彼此之間不大有交集，故不同的用戶之間的干擾比較少。其不利之處在于系統必須用非常復雜的算法來找到用戶的準確位置，否則就無法精準地將波束對準這個用戶。因此，波束管理和波束控制對MassiveMIMO的重要性。此外，射頻調制解調技術也屬于關鍵技術之一。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（五）關于核心專利的冷靜思考所謂核心專利，是指能在物理層方面做出基礎性的創新并掌握話語權的專利技術。

所謂話語權，就是一旦技術商用后，就具備技術實力，比如高通在３Ｇ時代掌握擁有軟切換和功率控制兩大核心專利以及兩千項外圍專利，具備向愛立信、華為、諾基亞、中興等全球通信廠商征收“高通稅”的技術資本。

華為如果僅憑一項Polar碼,難以構成核心專利，而且Polar碼

并非華為的原創。高通主推的LDPC是由國際信息領域的Gallager在大約50年前提出，經過50多年的發展和改進，技術已經非常成熟，雖然提出的時間較早，部分理念已經不能稱之為先進，但經過多次改進和擴展，依舊是非常優秀的技術。法國主推的Turbo20是Turbo的延伸和發展，Turbo碼是4G時代使用的編碼之一，在技術上同樣非常成熟。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（五）關于核心專利的冷靜思考而中國主推的Polar碼是由土耳其畢爾肯大學（BilkinUniversity）ErdalArikan教授（是Gallager的學生）在2008年首次提出的,Polar碼的優勢在于糾錯能力強，而且是世界上唯一一種已知的能夠證明達到信道容量的信道編碼方法，其對于高帶寬網絡的規范管理具有重要的意義，在某些應用中已經取得了和Turbo碼及LDPC碼相同或更優的性能。但其劣勢就是產生時間太短，技術還不夠成熟。本次Polar碼戰勝LDPC碼和Turbo碼贏得的是eMBB場景短碼控制信道。而3GPP定義了5G三大場景，即增強型移動寬帶（eMBB）、海量物聯網通信（mMTC）、低延時高可靠通信（uRLLC）。

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五、５Ｇ的關鍵技術

（五）關于核心專利的冷靜思考而華為這次僅獲得了eMBB場景中短碼的控制信道，而高通卻斬獲了eMBB場景的長碼和短碼的編碼信道，而且mMTC和uRLLC場景的編碼方案還懸而未決。拋開多址技術、多天線技術、射頻調制解調技術等關鍵技術，僅憑在編碼上取得了eMBB場景中短碼的控制信道，還遠遠不夠對5G核心技術的控制。所以在編碼標準的制定上占據一席之地，是中國通信產業取得的勝利以及實力的體現，但還不是制勝5G技術的全部。

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六、５Ｇ的主要應用領域（一）工業領域應用5G在工業領域的應用涵蓋研發設計、生產制造、運營管理及產品服務4個大的工業環節。控制結構示意圖見下圖。

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六、５Ｇ的主要應用領域

（二）車聯網與自動駕駛領域的應用

５Ｇ車聯網助力汽車、交通應用的智能化升級。狹義的車聯網，就是把車和道路、車和車通過網絡連起來。支持更高等級、復雜場景的自動駕駛服務，遠程遙控駕駛,車輛編隊行駛等。對汽車本身而言控制如圖3-8所示。圖3-8車聯網對車輛自身數據的采集示意圖

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六、５Ｇ的主要應用領域（三）能源領域的應用1、實現智能電網建設和電力設備的智能化：為智能電網的生產、傳輸、配電和用電等環節提供快速、高效的數據傳輸和控制功能。

2、實現電力輸變電設施的運行監測：對變電站、輸電線路、變壓器等設施的實時監測，快速精確故障定位和非故障區域的快速自愈，提高電力系統的故障診斷和維護效率，提升電網供電可靠性。

3、基于5G的機器人/無人機巡檢：提高供電效率和檢修人員安全性

4、5G智能場站：在風電場、光伏電站等新能源場站中，5G技術有助于實現分散式分布場站的智能化控制和管理。

5、遠程運維指導和增強現實安全培訓：通過5G網絡實現遠程運維指導及現實技術和安全培訓。

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六、５Ｇ的主要應用領域（三）能源領域的應用“5G技術”在能源領域的應用

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六、５Ｇ的主要應用領域

（四）醫療領域的應用“5G技術”在醫療領域的應用

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六、５Ｇ的主要應用領域

（五）文旅領域的應用“5G技術”在文化旅游領域的應用

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六、５Ｇ的主要應用領域

（六）５Ｇ消息

5G消息是短信業務的升級，也是運營商的一種基礎電信服務。它基于IP技術實現業務體驗的飛躍，支持的媒體格式更多，表現形式更豐富。2020年4月8日，中國移動、中國電信、中國聯通攜手11家合作伙伴共同發布《5G消息白皮書》，三大運營商計劃在2020年內推出5G消息。2021年7月，中國搜索5G消息在中國移動商用網絡正式上線。

信息的傳輸與通信技術正文第三節

近距離小容量無線通信技術（一）無線保真通信的定義及發展歷史

1、定義：基于IEEE802.11b標準的無線局域網（WirelessFidelity，WiFi）叫做“無線保真技術”，簡稱為“微信”。

無線保真技術技術是一種能夠將個人電腦、手持設備等終端以無線方式互相連接的技術。與藍牙技術一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術。該技術遵循IEEE所制定的802.11x系列標準，主要有三個標準:

一、無線保真通信技術

微信標識

信息的傳輸與通信技術正文第三節

近距離小容量無線通信技術（一）無線保真通信的定義及發展歷史

2、“微信”的發展歷史

基于2010年蘋果公司發布了iPhone4，代表著具有劃時代意義的移動時代來臨。隨后，美國出現了一個KiK的APP。KiK僅用了一個月的時間就獲取了一百萬的用戶，成為震驚全世界的一個奇跡。

而微信是由中國深圳騰訊控股有限公司（TencentHoldingsLimited）于2010年10月籌劃啟動。由張小龍帶領廣州研發中心產品團隊推出的一款支持Android以及iOS等移動操作系統、面對智能手機用戶的即時通信軟件,將它命名為“微信”。張小龍的團隊用兩個多月的時間，于2011年1月21日開發、發布了第一版微信，至2011年5月，經過了1.1、1.2、1.3三個測試版本之后，微信逐漸增加了對手機通訊錄的讀取、與騰訊微博私信的互通以及多人會話功能的支持，使微信用戶呈指數增長。一、無線保真通信技術

信息的傳輸與通信技術正文第三節

近距離小容量無線通信技術（一）無線保真通信的定義及發展歷史

至2011年5月，微信分別發布了1.1、1.2、1.3三個測試版本；

2011年8月，微信發布2.5版本；

2011年10月，微信發布3.0版本；

2011年12月，微信發布3.5版本；

到2011年底，微信用戶已超過5000萬。就在二維碼社交發布三個月之后，也就是2012年3月，微信用戶突破一億。

2012年5月，微信發布4.0版本；

2012年8月23日，微信公眾平臺上線；

2012年9月5日，微信4.3版本發布；

2012年9月17日騰訊微信注冊用戶已破2億。2013年1月微信用戶數突破3億，成為全球下載量和用戶量最多的通信軟件，影響力遍及中國大陸、香港、臺灣、東南亞，海外華人聚集地和少數西方人。一、無線保真通信技術

信息的傳輸與通信技術正文第三節

近距離小容量無線通信技術（一）無線保真通信的定義及發展歷史

2013年2月，微信發布4.5版；

2013年8月，微信商業化進程正式到來，5.0版本上線；

2013年8月，微信海外版（WeChat）注冊用戶突破1億，一個月內新增3000萬名用戶。2013年10月，微信的用戶數已超過了6億，每日活躍用戶1億以上。

2013年10月，微信升級為5.2版本，Android版界面全新改版；

2014年3月，開放微信支付功能；

2016年3月起，微信支付對轉賬功能停止收取手續費。

2016年9月，微信小程序正式開啟內測。

2017年2月，BrandFinance（金牌金融）發布2017年度全球500強品牌榜單，微信排名第100。2017年3月，微信官方悄然推出了“微信指數”功能。一、無線保真通信技術

信息的傳輸與通信技術正文第三節

近距離小容量無線通信技術（一）無線保真通信的定義及發展歷史

2017年5月，微信支付宣布攜手CITCON（西通）正式進軍美國。

2017年5月，微信版本更新，新增「微信實驗室」功能。

從2017年9月25日17時-28日17時的四天內，手機微信啟動頁面顯示的地球圖片也將從以前的NASA（美國國家航空航天局）在全世界范圍公開的第一張完整的地球照片，更換為風云四號的成像圖。

2017年12月，微信更新的6.6.1版本；

2018年1月31日，微信發布iOS端6.6.2版本；

2018年5月，微信公眾號iOS版發布，并更新到了6.6.7版本；

2022年1月，微眾銀行（微信支付）數字人民幣錢包上線；

2022年3月，微信狀態最新上線“抗疫”服務；

2022年3月，微信forWindows3.6.0正式版發布。

微信版本趨于完備。

一、無線保真通信技術

信息的傳輸與通信技術正文第三節

近距離小容量無線通信技術（一）無線保真通信的定義及發展歷史

3、微信通信的主要功能

1）基本功能（見本書P86表3-7）

2）生活服務方面的功能（見本書P87至P88表3-8）

3）其他方面的功能（見本書P88至P91表3-9）

一、無線保真通信技術

信息的傳輸與通信技術正文

第三節

近距離小容量無線通信技術（二）微信的工作原理

1、簡介

無線保真（WiFi）技術與藍牙技術一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術。盡管WiFi技術也存在著諸如兼容性，安全性等方面的問題，不過它也憑借著自身的優勢，如傳輸速度較快，可以達到11Mbit/s，有效距離也很長等優點，受到廠商和使用者的青睞，在一般的民用通信中占據著主流無線傳輸的地位。

WiFi

是一種無線聯網的技術，以前通過網線連接電腦，而現在則是通過無線電波來聯網。常見的就是一個無線路由器，在這個無線路由器的電波覆蓋的有效范圍都可以采用WiFi連接方式進行聯網，如果無線路由器連接了一條非對稱數字用戶線路（AsymmetricalDigitalSubscriberLine，ADSL）或者別的上網線路，則又被稱為“熱點”。

信息的傳輸與通信技術正文

第三節

近距離小容量無線通信技術（二）微信的工作原理

２、無線保真通信的技術優勢

１）無線電波的覆蓋范圍廣

WiFi的半徑可達100ｍ，由Vivato公司推出的新型交換機，能夠將通信距離擴大到約6.5Km的范圍。

2）傳輸速度非常快可以達到11Mbit/s，符合個人和社會信息化的需求。

３）廠商進入該領域的門檻比較低只要在機場、車站、圖書館等人員較密集的地方設置熱點，并通過高速線路將因特網接入，由于熱點所發射出的電波可以達到距接入點半徑數千米的地方，用戶只要將支持無線網絡的筆記本計算機或手機置于該區域內，即可高速接入因特網。

信息的傳輸