信息的传输与通信技术 课件 第三章高速公路

现代智能控制实用技术丛书

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries信息的传输与通信技术信息的传输与通信技术简介

《现代智能控制实用技术丛书》共分为四本，其内容按照信号传输的链条编写：

传感器

调制与解调

信息的传输与通信技术

智能控制技术的应用

本书系统地对信息传输与现代通信技术的密切关系、通信技术的发展简史，现代通信技术的特点和发展趋势进行了介绍；

简述了世界通用的有线通信的载波技术、无线通信的微波接力通信的基本概念、基本原理，以及各类通信系统的组成、特点、优势、不足及适用领域。信息的传输与通信技术简介

本书还对现代通信技术的“高速公路”，即光导纤维通信、５Ｇ通信、卫星通信系统技术，以及近距离小容量的通信手段———无线保真（ＷｉＦｉ）、蓝牙和可见光通信技术进行原理、功能及应用的阐述。

对未来的通信技术，即量子通信技术的概况进行介绍，并预测量子通信技术将在计算机技术、通信传输技术、卫星通信技术等方面应用的可期待前景。

本书可作为大专院校或高等院校智能控制类相关专业的参考书籍，也可供从事智能控制信息的传输方面的设计、制造、应用领域工作的工程技术人员作为参考资料。

信息的传输与通信技术丛书序

自动控制、智能控制、智慧控制是相对ＡＩ控制技术的普遍话题。在当今的生产、生活和科学实验中具有重要的作用。

在控制技术中离不开将甲地的信息传送到乙地，以便远程监测（遥测）、视频显示和数据记录（遥信）、状况或数据调节（遥调）和智能控制（遥控），统称为智能控制的四遥工程。

信息是物理现象、过程或系统所固有的。信息本身不是物质，不具有能量，但信息的传输却依靠物质和能量。

而信号则是信息的某种表现形式，是传输信息的载体。信号是物理性的，并且随时间而变化，这是信号的本质所在。

在无线电通信中，电磁波信号承载着各种各样的信息。所以信号是有能量的物质，它描述了物理量的变化过程，在数学上，信号可以表示为关于一个或几个独立变量的函数，也可以表示随时间或空间变化的图形。

信息的传输与通信技术丛书序

实际的信号中往往包含着多种信息成分，其中有些是我们关心的有用信息，有些是我们不关心的噪声或冗余信息。传感器的作用就是把未知的被测信息转化为可观察的信号，提取所研究对象的有关信息，将原始信息转换成信号。将有效信息转换成便于传输的信号，或将信号放大，或将较低频率的原始信息“调制”到较高频率的信号；满足远距离传输的要求，或将原始模拟信息处理为数字信号等。这就是智能控制发送部分的“职责”———信息的收集与调制。然后，将调制后的信号置于所选取的传输通道上进行传输，使调制后的信号传输至信宿端———乙地在乙地接收到经传输线路传送来的信号后，然后进行调制器的反向操作“解调”。即将高频信号或数字信号还原成原始信息。

信息的传输与通信技术丛书序

原始信息通过扬声器器（还原的音Ⅳ频信号）、显示器（还原的图像或视频信号）、打（还原的计算结果）或进行力学、电磁学、光学、声学等转换，对原始信息控制目的物进行作用，从而达到智能控制的目的。本套丛书就是对智能控制系统中各个环节的一些关键技术的原理、特性、基本计算公式和方法、基本结构的组成、各个部分参数的选取，以及主要应用场合及其优势和不足等问题进行讨论和分析。本套丛书则沿着“有效信息的取得”、“有效信息的调制”、“调制信号的传输“、“调制信号的解调”以及“智能控制系统的举例应用”这一线索展开，对比较典型的智能控制系统，应用于实践的设计计算及控制的逻辑关系进行举例论述。本套丛书虽然经历了十多年的知识积累，但仍然觉得时间仓促，加之水平有限，错误与疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。编撰者

苏遵惠

信息的传输与通信技术

丛书序

前言第一章简说通信技术与信息传输第三节现代通信技术特点第五节网络通信技术的发展第二章世界通用的通信技术

第二节有线通信的载波通信技术

第三节微波接力通信和卫星微波

通信第三章通信技术的“高速公路”第一节通信技术的“高速公路”

概述

第二节无线通信的第五代移动通信技术——５Ｇ第三节近距离小容量无线通信技术——无线保真通信、蓝牙通信、可见光通信第四节有线通信的光导纤维通信技术

第四章通信技术的综合应用———脉冲码编调制的可见光通信系统第五章未来的量子通信技术

第一节量子通信技术

第二节量子计算机的工作原理附录附录Ａ名词术语及解释附录Ｂ相关技术标准参考文献重点目录

信息的传输与通信技术正文第三章通信技术的“高速公路”第一节通信技术的“高速公路”概述第二节无线通信的第五代移动通信技——５G

第三节近距离小容量无线通信技术第四节有线通信的光导纤维通信技——OFC

信息的传输与通信技术正文第一节

通信技术的“高速公路”概述

一、从“５Ｇ热”说起

简单来说，５Ｇ就是第五代通信技术，主要特点是波长为毫米级、超宽带、超高速度、超低延时（相对４Ｇ而言）。

１Ｇ：实现了模拟语音通信，大哥大没有屏幕只能打电话；

２Ｇ：实现了语音通信数字化，功能机有了小屏幕，可以发短信；

３Ｇ：实现了语音以外图片等的多媒体通信，屏幕变大，可以看图片；

４Ｇ：实现了局域高速上网，大屏智能机可以看短视频，但在城市信号好，农村信号差。如图3-1所示。

而现代通信对传输速度、传输保真度要求越来越高，才体现出无线通信的瓶颈所在，无线通信与有线通信的对比，如图3-2所示。

信息的传输与通信技术正文第一节

通信技术的“高速公路”概述

一、从“５Ｇ热”说起

图3-1便携式无线通信系统结构示意图

信息的传输与通信技术正文第一节

通信技术的“高速公路”概述二、中频至超高频的信道通信

对于无线通信，目前主要使用电波进行通信。当然，光波通信也在崛起，例如LiFi（可见光通信）。无线电波的频率资源是有限的。为了避免干扰和冲突，要在电波这条公路上进一步划分“车道”，分配给不同的对象和用途。而现在用得比较多的是手机通信，主要是应用中频至超高频的频谱，频道的频率分配见表3-1和表3-2。图3-2无线通信与有线通信

的能力比较示意图

信息的传输与通信技术正文

第一节

通信技术的“高速公路”概述二、中频至超高频的信道通信

（一）频道用途划分

表3-1频道用途的划分表名称符号频率波段波长主要用途甚低频VLF3-30KHz超长波1000Km～100Km海岸潜艇通信；远距离通信；超远距离通信。低频LF30-300KHz长波10Km～1Km越洋通信；中距离通信；地下岩层通信；远距离导航。中频MF0.3-3MHz中波1Km～100m船用通信；业余无线电通信；中距离导航移动通信。高频HF3-30MHz短波100m～10m远距离短波通信；国际定点通信；移动通信。甚高频VHF30-300MHz米波10m～1m电离层散射；流星余迹通信；人造电离层通信；对空间飞行体通信；移动通信。特高频UHF0.3-3GHz分米波1m～0.1m小容量微波中继通信；对流层散射通信；中容量微波中继通信；移动通信（2～4G）超高频SHF3-30GHz厘米波10cm～1cm大容量微波中继通信；移动通信（4～5G）卫星通信；国际海事卫星通信。极高频EHF30-300GHz毫米波10mm～1mm再入大气层时的通信；波导通信。

信息的传输与通信技术正文

第一节

通信技术的“高速公路”概述二、中频至超高频的信道通信

（二）我国LTE频谱划分

表3-2我国各通信运营商的频谱资源分配表

信息的传输与通信技术正文

第一节

通信技术的“高速公路”概述二、中频至超高频的信道通信

（二）我国LTE频谱划分

大小例如经常说的“GSM900”、“CDMA800”,其实是指工作频段在900MHz的GSM和工作频段在800MHz的CDMA。目前全球主流的4G-LTE技标准属于特高频和超高频，我国主要使用超高频。可见，随着1G、2G、3G、4G的发展，使用的电波频率越来越高。这主要是因为频率越高，能使用的频率资源越丰富，能实现的传输速率就越高，就会带来更多的频率资源，便会有更大的客户容量和更快的传输速度。

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第一节

通信技术的“高速公路”概述三、超高频和极高频信道通信——毫米波通信

大小如果按28GHz来算，根据前文提到的公式，则可计算其波长为:这就是５Ｇ的第一个技术特点———毫米波。根据2017年12月发布的V1500版的TS38104规范，5GNR频率范围分别定义为不同的FR1和FR2。其频率范围见表3-3，5G的频率范围分为两种:一种是6GHz以下（超高频）,这个和目前的2G/3G/4G差别不太大。还有一种是24GHz以上（极高频）,目前国际上的5G通信主要使用28GHz进行试验和使用。在NR频段内的FR1和FR2又各分为若干频段编号，见表3-4和表3-5。

信息的传输与通信技术正文

第一节

通信技术的“高速公路”概述三、超高频和极高频信道通信——毫米波通信

（二）我国LTE频谱划分

信息的传输与通信技术正文

第一节

通信技术的“高速公路”概述三、超高频和极高频信道通信——毫米波通信

（二）我国LTE频谱划分

信息的传输与通信技术正文

第一节

通信技术的“高速公路”概述三、超高频和极高频信道通信——毫米波通信

（二）我国LTE频谱划分

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第一节

通信技术的“高速公路”概述三、超高频和极高频信道通信——毫米波通信

（二）我国LTE频谱划分

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第一节

通信技术的“高速公路”概述三、超高频和极高频信道通信——毫米波通信

（二）我国LTE频谱划分

频谱从上列表3-3～表3-5中可见，5GNR频段中包含了部分在1～4Ｇ中使用的LTE频段，也新增了一些频段，即n50、n51、n70及以上频段。目前全球在5G中最先部署的频段为n77、n78、n79(3.3～4.2GHz，4.4～5.0GHz等频率范围）和n257、n258、n260频段(26GHz，28GHz，39GHz等频率范围）。卫星通信和GPS导航（波长1cm左右）,信号不能遮挡，接收卫星信号的天线必须正对着卫星方向，立体角的误差直接影响信号质量。移动通信在高频段，最大的问题就是传输距离大幅度缩短，覆盖能力大幅度减弱。覆盖同一个区域需要的5G基站数量将大大超过4G。

信息的传输与通信技术正文

第一节

通信技术的“高速公路”概述四、无线通信的基站和微基站

基站数量意味着投入的成本。频率越低，网络建设的成本就越低。这就是为什么在频谱资源分配之前，电信、移动、联通都在争得低频段的频谱资源的缘故。为了在高频率段降低网络建设的成本压力，5G基站采用了两种方式，即微基站和宏基站。微基站很小，宏基站很大如图3-3所示。

１）宏基站：室外常见的高塔形或高柱形，建一个宏基站可覆盖一大片接收范围。

２）微基站：体积更小的基站，如现在家庭使用的只有书本大小。其实，微基站现在就有不少，尤其是城区和室内经常能看到。到了5G时代，微基站会更多，几乎随处可见。基站数量越多，每一个微基站发射的功率越小，辐射也会越小。对人体的危害也会减小。

信息的传输与通信技术正文

第一节

通信技术的“高速公路”概述四、无线通信的基站和微基站

图3-34G/5G的基站与微基站实物和信号分布范围示意图

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第一节

通信技术的“高速公路”概述五、微米波通信的天线

天

线

去

哪

了

？以前大哥大都有很长的天线，

早期的手机也有突出来的小天线，

为什么现在的手机都没有天线了？

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第一节

通信技术的“高速公路”概述五、微米波通信的天线

其实，并不是不需要天线，而是天线变小了！

根据天线特性，天线长度应与波长成正比，大约在波长的1/10～1/4之间。所以手机的通信频率越来越高，波长越来越短，天线也就越来越短。手机的通信频率越来越高，波长越来越短，天线也就越来越短。毫米波通信时，天线也变成毫米级，这就意味着天线完全可以塞进手机里面，甚至可以塞很多根，如图3-4所示。

信息的传输与通信技术正文

第一节

通信技术的“高速公路”概述五、微米波通信的天线

其实，并不是不需要天线，而是天线变小了！

图3-4天线长度与波长之间的关系示意图1G3G4G

信息的传输与通信技术正文

第一节

通信技术的“高速公路”概述六、波束赋形

信号是向四周发射的。如灯光一样，如果只是想让灯光照亮某个区域或物体，那么大部分的光都被浪费了。基站也是一样，天线阵列的电波向四周辐射，则大量的能量和资源都浪费了。如果能将散开的光束缚起来，这样既节约了能量，也保证了需照亮区域足够的亮度。同理，天线电波辐射时，天线阵列中的每一根天线的波长只向一定的角度辐射，使之既节约能源，之间也不产生干扰，这就是所谓的波束赋形技术。

定义：通过多个天线形成阵列，有效控制每个天线发出各自的振幅和相位，使电磁波在空间中互相抵消或者增强，形成一个很窄波束，将能量聚集上面定向传输，实现传输效率的快速提升，补偿毫米波快速衰减的频谱特性，叫作波束赋形。

信息的传输与通信技术正文

第一节

通信技术的“高速公路”概述六、波束赋形

波束赋形的工作形态分为４种：

无指向性、

锐心型指向性、

双指向性

单一指向性

其形态在所有形态下均可以逆转，且指向性锐度可以进行调整。

其图3-6波束赋形的各种形态示意图,见书中P54

所示。

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第一节

通信技术的“高速公路”概述七、关于Ｄ２Ｄ

波束在目前的移动通信网络中，即使是两个人面对面的手机联络，其信号（包括控制信令和数据包）必需通过基站进行中转。而在5G时代，这种情况就不一定了。

５Ｇ的第五大特点——D2D，也就是“设备到设备”（DevicetoDevice）通信方式。在同一基站下的两个用户互相进行通信，他们的数据将不再通过基站转发，而是直接手机到手机。节约了大量的空中资源，也减轻了基站的压力。非D2D和D2D传输信道示意图如图3-7所示。图3-7非D2D和D2D

传输信道示意图

信息的传输与通信技术正文第二节无线通信的第五代移动通信技术———５Ｇ

一、５Ｇ概述

第五代移动通信技术（5thGenerationMobileCommunicationTechnology）简称5G，是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人-机-物互联的网络基础设施。

国际电信联盟（ITU）定义了5G的三大类应用场景：

增强移动宽带（eMBB）

超高可靠低时延通信(uRLLC)

海量机器类通信(mMTC)。

增强移动宽带（eMBB）

主要面向移动互联网流量爆炸式增长，为移动互联网用户提供更加极致的应用体验；

超高可靠低时延通信(uRLLC)

主要面向工业控制、远程医疗、自动驾驶等对时延和可靠性具有极高要求的垂直行业应用需求；

海量机器类通信(mMTC)

主要面向智慧城市、智能家居、环境监测等以传感和数据采集为目标的应用需求。

信息的传输与通信技术正文第二节无线通信的第五代移动通信技术———５Ｇ

一、５Ｇ概述ITU定义了5G八大关键性能指标：

其中:高速率、低时延、大连接成为5G最突出的特征，用户体验速率达1Gbps，时延低至1ms，用户连接能力达100万连接/平方公里。2018年6月3GPP发布了第一个5G标准（Release-15），支持5G独立组网，重点满足增强移动宽带业务。2020年6月Release-16版本标准发布，重点支持低时延高可靠业务，实现对5G车联网、工业互联网等应用的支持。Release-17（R17）版本标准,重点实现差异化物联网应用，实现中高速大连接，于2022年6月发布。2020年4月8日，中国移动、中国电信、中国联通携手11家合作伙伴共同发布《5G消息白皮书》，三大运营商在2020年推出5G消息。

信息的传输与通信技术正文第二节无线通信的第五代移动通信技术———５Ｇ

二、５Ｇ的发展背景移动通信每十年更新一代技术的发展规律，已历经1G、2G、3G、4G的发展。每一次代际跃迁，每一次技术进步，都极大地促进了产业升级和经济社会发展。从1G到2G实现了模拟通信到数字通信的过渡，移动通信走进了千家万户。从2G到3G、4G实现了语音业务到数据业务的转变，传输速度成百倍提升，促进了移动互联网应用的普及和繁荣。4G网络造就了互联网经济，解决了随时随地通信的问题，移动数据业务流量爆炸式增长。

但4G移动通信系统难以满足数据流量日益增长的需求，亟须研发下一代移动通信——5G系统。

信息的传输与通信技术正文第二节无线通信的第五代移动通信技术———５Ｇ

二、５Ｇ的发展背景5G作为一种新型移动通信网络，不仅要解决人与人通信问题，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清（3D）视频等更加身临其境的极致业务体验，更要解决人与物、物与物通信问题，满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用需求。5G将渗透到经济社会的各领域，成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的新型基础设施。

信息的传输与通信技术正文第二节无线通信的第五代移动通信技术———５Ｇ

三、５Ｇ的发展历程

2013年2月，欧盟宣布拨款5000万欧元，加快5G移动技术的发展，计划2020年推出成熟的5G标准。

2013年4月，中国工信部、发展改革委、科技部共同支持成立IMT-2020(5G)推进组，旨在组织国内各方力量、积极开展国际合作推动5G国际标准发展。2013年4月19日推进组第一次会议在北京召开。

2014年5月8日，日本电信营运商NTTDoCoMo宣布与Ericsson、NokAI、Samsung等六家厂商合作，开始测试高速5G网络，传输速度可提升至10Gbps。预计在2015年展开户外测试，并期望于2020年开始运作。

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三、５Ｇ的发展历程

2016年1月中国5G技术研发正式启动，于2016-2018年进行实施阶段，分为：5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证三个阶段。

2016年5月31日

由中国、欧盟、美国、日本和韩国5个5G推进组织联合主办的第一届全球5G大会在北京举行。

2017年11月15日

中国工信部发布《关于第五代移动通信系统使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段相关事宜的通知》，确定5G中频频谱并兼顾系统覆盖和大容量的基本需求。

2017年11月

中国工业和信息化部发布正式启动5G技术研发试验第三阶段工作的通知，并力争于2018年年底前实现第三阶段试验基本目标。

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三、５Ｇ的发展历程

2017年12月21日在国际电信标准组织3GPPRAN第78次全体会议上，5GNR首发版本正式冻结并发布。

2017年12月发改委发布《关于组织实施2018年新一代信息基础设施建设工程的通知》，要求2018年将在不少于5个城市开展5G规模组网试点，每个城市5G基站数量不少50个、全网5G终端不少于500个。

2018年2月27日华为在MWC2018大展上发布了首款3GPP标准5G商用芯片巴龙5G01和5G商用终端，支持全球主流5G频段，包括Sub6GHz（低频）、mmWave（高频），理论上可实现最高2.3Gbps的数据下载速率。2018年6月13日

3GPP5GNR标准SA（Standalone，独立组网）方案在3GPP第80次TSGRAN全会正式完成并发布，标志着首个完整意义的国际5G标准正式出炉。

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三、５Ｇ的发展历程

2018年12月1日韩国三大运营商SK、KT与LGU+同步在韩国部分地区推出5G服务，在全球首次实现商用。

2018年12月10日工信部正式对外公布：已向中国电信、中国移动、中国联通发放了5G系统中低频段试验频率使用许可。2019年4月3日韩国电信公司（KT）、SK电讯株式会社以及LGU+三大韩国电信运营商正式开启5G移动通信的入网服务。2019年4月3日美国最大电信运营商Verizon宣布，即日起在芝加哥和明尼阿波利斯的城市核心地区部署“5G超宽带网络”。

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三、５Ｇ的发展历程

2019年6月6日工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。

2019年10月

中国5G基站正式获得了工信部入网批准并颁发了国内首个5G无线电通信设备进网许可证。

2019年10月31日

中国三大运营商于11月1日正式上线5G商用套餐。并向有条件的重点县镇逐步覆盖。

2020年6月1日工信部部长在两会“部长通道”接受媒体采访时说，2020年以来5G建设每周增加1万多个5G基站。累计超过3600万户。

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三、５Ｇ的发展历程

2020年9月5日工业和信息化部在中国国际服务贸易交易会举行的数字贸易发展趋势和前沿高峰论坛上表示，当前中国5G用户已超过6000万户。

2020年12月22日工信部向中国电信、中国移动、中国联通三家电信运营企业颁发5G中低频段频率使用许可证。加快推动5G网络规模部署。

2021年3月8日工业和信息化部表示，截至2020年底，我国已累计建成5G基站71.8万个，“十四五”期间，我国将建成系统完备的5G网络。工信部起草编制的《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》征求意见稿出台。

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四、５Ｇ的性能指标

１、峰值速度

需要达到10～20Gbit/s,以满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输。２、空中接口时延

需低至1ms，满足自动驾驶、远程医疗等实时监控应用。３、具备百万连接/Km2的设备连接能力，满足物联网通信的容量需求。４、频谱效率

要比LTE提升3倍以上。５、用户体验速率

在连续广域覆盖和高移动性下，达到100Mbit/s。６、流量密度达到10Mbit/s/m2以上。７、移动性

支持500Km/h的高速移动，以满足高铁或将来更高速的运输工具的要求。

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五、５Ｇ的关键技术

（一）概要

在5G起步的情况下，建立一套全面的5G关键技术评估指标体系和评估方法，实现客观有效的第三方评估，为服务技术与资源管理的需要。

国家无线电管理技术机构：国家无线电监测中心（以下简称监测中心）的工作及建设：1、监测中心频谱工程实验室建设；

2、开放式电磁兼容分析测试平台建设；3、大规模软件、硬件及高性能测试仪器仪表的集成与应用；4、为无线电管理机构、科研院所及业界等提供无线电系统研究、开发与验证实验环境。利用该平台搭建5G系统测试与验证环境，从而实现对5G各项关键技术客观高效的评估。5、监测中心为5G频率规划、监测以及关键技术评估测试验证等工作提前进行技术储备。

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五、５Ｇ的关键技术

（一）概要

在5G起步的情况下，建立一套全面的5G关键技术评估指标体系和评估方法，实现客观有效的第三方评估，为服务技术与资源管理的需要。

国家无线电管理技术机构：国家无线电监测中心（以下简称监测中心）的工作及建设：1、监测中心频谱工程实验室建设；

2、开放式电磁兼容分析测试平台建设；3、大规模软件、硬件及高性能测试仪器仪表的集成与应用；4、为无线电管理机构、科研院所及业界等提供无线电系统研究、开发与验证实验环境。利用该平台搭建5G系统测试与验证环境，从而实现对5G各项关键技术客观高效的评估。5、监测中心为5G频率规划、监测以及关键技术评估测试验证等工作提前进行技术储备。

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五、５Ｇ的关键技术

（二）５Ｇ关键技术解读

在5G国际技术标准重点满足灵活多样的物联网需要。

在OFDMA和MIMO基础技术上，5G为支持三大应用场景，采用了灵活、全新的系统设计。

1、在频段方面，5G针对中低频和高频设计了统一的技术方案，与4G支持中低频不同，5G同时支持中低频和高频频段，其中中低频满足覆盖和容量需求，高频满足在热点区域提升容量的需求，并支持百MHz的基础带宽。

2、为了支持高速度传输和更优覆盖，5G采用LDPC(低密度奇偶校验码)、Polar（极坐标编码）等新型信道编码方案、性能更强的大规模天线技术等。

3、为了支持低时延、高可靠性，5G采用短帧、快速反馈、多层／多站数据重传等技术。

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五、５Ｇ的关键技术

（二）５Ｇ关键技术解读

１、高频段传输

采用高频段（如毫米波、厘米波频段）可用频谱资源丰富，

２、新型多天线传输多天线技术从无源到有源，从2D到三维3D,从高阶M1、M0到大规模阵列，实现频谱效率提升数十倍甚至更高，是５Ｇ技术重要的研究方向之一。

３、同时同频全双工在相同的频谱上，通信的收发双方同时发射和接收信号，理论上使空口频谱效率提高1倍,但需要具备极高的抗干扰能力。

４、Ｄ２Ｄ模式Ｄ２Ｄ技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信，拓展网络连接和接入方式。

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五、５Ｇ的关键技术

（二）５Ｇ关键技术解读

５、密集网络超密集网络能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。所以，干扰消除、小区快速发现、密集小区间协作、基于终端能力提升的移动性增强方案等，都是目前密集网络方面的研究热点。

６、新型网络架构未来5G可能采用无线接入网络RadioAccessNetwork，C-RAN）接入网架构。C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。适于采用协同技术，能够减小干扰，降低功耗，提升频谱效率，同时便于实现动态使用的智能化组网。其研究内容为C-RAN的架构和功能，如集中控制、基带池RRU接口定义、基站簇、虚拟小区等。

信息的传输与通信技术正文第二节无线通信的第五代移动通信技术———５Ｇ

五、５Ｇ的关键技术

（三）我国华为推出的5G网络关键技术详解

中国华为公司主推的PolarCode（极化码）方案，成为5G控制信道eMBB场景编码方案。除了编码之外，5G还有哪些关键技术呢？3GPP定义了5G三大场景：

1、增强型移动宽带（eMBB，EnhanceMobileBroadband）按计划能够在人口密集区为用户提供1Gbps用户体验速率和10Gbps峰值速率，在流量热点区域，可实现每平方公里数十Tbps的流量密度。

2、海量物联网通信（mMTC，MassiveMachineTypeCommunication）不仅能够将医疗仪器、家用电器和手持通讯终端等全部连接在一起，还能面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，并提供具备超千亿网络连接的支持能力。

信息的传输与通信技术正文第二节无线通信的第五代移动通信技术———５Ｇ

五、５Ｇ的关键技术

（三）我国华为推出的5G网络关键技术详解

3、低时延、高可靠通信（uRLLC，UltraRelAIble&LowLatencyCommunication）主要面向智能无人驾驶、工业自动化等需要低时延高可靠连接的业务，能够为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。可见，相对于4G，5G通信能够提供覆盖更广泛的信号，而且上网的速度更快、流量密度更大，同时还将渗透到物联网中，实现智慧城市、环境监测、智能农业、工业自动化、医疗仪器、无人驾驶、家用电器和手持通讯终端的深度融合，就是万物互联。

信息的传输与通信技术正文第二节无线通信的第五代移动通信技术———５Ｇ

五、５Ｇ的关键技术

（三）我国华为推出的5G网络关键技术详解

中国华为主推的Polar（极性代码）、信道控制eMBB（动态宽带）场景，与美国主推的LDPC（低密度奇偶校验码）和法国主推的Turbo2.0（睿频加速处理器）进行比较分析，可以说在同一技术水平级别。

高通和华为争夺的eMBB场景编码方案，本身并不能成为核心专利。一般而言，物理层是共认的最核心的关键技术，这其中就包括编码，编码一方面可以传递信号，先进的编码技术会增加抗干扰能力！

Turbo2.0、PolarCode、LDPC就是法国、中国、美国主推的编码方案。

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五、５Ｇ的关键技术

（三）我国华为推出的5G网络关键技术详解

另外一个就是多址技术，其是解决多个用户同时和基站通信的问题。

第一代通信采用的是频分多路复用技术（FrequencyDivisionMultipleAccess，FDMA）；

第二代通信采用的是时分多址技术（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）；

第三代通信采用的是码分多址技术（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）；

第四代通信采用的是正交频分多址技术（OrthogonalFrequency-DivisionMultipleAccess，OFDMA）；

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五、５Ｇ的关键技术

（三）我国华为推出的5G网络关键技术详解

5G时代多址是一个很关键的争夺点，现在流行看法就是非正交多址接入技术（5G中non-orthogonalmultiple-access，NOMA）。优点有二：其一，上行的链路级的流量以及支持过载的能力增强了；其二，在给定系统中断的情况下的包到达率增强了。

不过，有学者认为NOMA是否能问鼎5G时代的主流，学术界仍存在一定分歧。

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五、５Ｇ的关键技术

（四）多天线技术

华为5G网络还有一项关键技术就是多天线技术（MassiveMIMO）。简而言之，就是在现有多天线的基础上再增加天线数，配置数十根、甚至数百根以上天线，支持数十个独立的空间数据流，实现用户系统频谱效率的大幅提升。在理论上能把容量提高很多倍。

MassiveMIMO的好处在哪里呢？１）可以提供丰富的空间自由度，支持空分多址SDMA;２）BS能利用相同的时频资源为数十个移动终端提供服务；３）提供了更多可能的到达路径，提升了信号的可靠性；４）提升小区峰值吞吐率；５）提升小区平均吞吐率；６）降低了对周边基站的干扰；７）提升小区边缘用户平均吞吐率。

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五、５Ｇ的关键技术

（四）多天线技术

在理想传播模型中，当发射端的发射功率一定时，接收端的接收功率与波长的二次方、发射天线增益和接收天线增益成正比，与发射天线和接收天线之间的距离的二次方成反比。在5Ｇ毫米波段，无线电波的波长是毫米数量级，而2G/3G/4G是分米波或厘米波。相比之下，毫米波段信号衰减严重得多，导致接收天线接收到的信号功率显著减少。

条件：1、国家对天线功率有上限限制，发射功率不可能随意增加；2、不可能改变发射天线和接收天线之间的距离；3、受制于材料和物理规律，发射天线和接收天线的增益不可能无限提高。

结果：可行的解决方案是：增加发射天线和接收天线的数量，

即采用多天线阵列技术。

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五、５Ｇ的关键技术

（四）多天线技术

3GPPR1-136362对5G引入MassiveMIMO的动机做了很好的总结：移动通信使用的无线电波频率的提高，路径损耗也随之加大。而载波频率提高意味着天线变小。即在同样的空间里，我们可以塞入越来越多的高频段天线。所以，可以通过增加天线数量来补偿高频路径损耗，而不会增加天线阵列的尺寸。当频率超过10GHz，对于非视距传播链路，衍射不再是主要的信号传播方式，反射和散射成为主要的信号传播方式。高频对穿过建筑物的穿透损耗也会大大增加。这些因素都会增加信号覆盖的难度，特别是对于室内覆盖来说，用室外宏站覆盖的方案对于室内用户切不可行。而使用多天线阵列，能够生成高增益、可调节的赋形波束，从而明显改善信号覆盖，因其波束非常窄，可以大大减少对周边的干扰。

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五、５Ｇ的关键技术

（四）多天线技术

移动多天线阵列的大部分发射能量聚集在一个非常窄的区域，即使用的天线越多，波束宽度越窄。多天线阵列的不同波束都有各自的聚焦区域，而且每一波束区域都非常小，彼此之间不大有交集，故不同的用户之间的干扰比较少。其不利之处在于系统必须用非常复杂的算法来找到用户的准确位置，否则就无法精准地将波束对准这个用户。因此，波束管理和波束控制对MassiveMIMO的重要性。此外，射频调制解调技术也属于关键技术之一。

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五、５Ｇ的关键技术

（五）关于核心专利的冷静思考所谓核心专利，是指能在物理层方面做出基础性的创新并掌握话语权的专利技术。

所谓话语权，就是一旦技术商用后，就具备技术实力，比如高通在３Ｇ时代掌握拥有软切换和功率控制两大核心专利以及两千项外围专利，具备向爱立信、华为、诺基亚、中兴等全球通信厂商征收“高通税”的技术资本。

华为如果仅凭一项Polar码,难以构成核心专利，而且Polar码

并非华为的原创。高通主推的LDPC是由国际信息领域的Gallager在大约50年前提出，经过50多年的发展和改进，技术已经非常成熟，虽然提出的时间较早，部分理念已经不能称之为先进，但经过多次改进和扩展，依旧是非常优秀的技术。法国主推的Turbo20是Turbo的延伸和发展，Turbo码是4G时代使用的编码之一，在技术上同样非常成熟。

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五、５Ｇ的关键技术

（五）关于核心专利的冷静思考而中国主推的Polar码是由土耳其毕尔肯大学（BilkinUniversity）ErdalArikan教授（是Gallager的学生）在2008年首次提出的,Polar码的优势在于纠错能力强，而且是世界上唯一一种已知的能够证明达到信道容量的信道编码方法，其对于高带宽网络的规范管理具有重要的意义，在某些应用中已经取得了和Turbo码及LDPC码相同或更优的性能。但其劣势就是产生时间太短，技术还不够成熟。本次Polar码战胜LDPC码和Turbo码赢得的是eMBB场景短码控制信道。而3GPP定义了5G三大场景，即增强型移动宽带（eMBB）、海量物联网通信（mMTC）、低延时高可靠通信（uRLLC）。

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五、５Ｇ的关键技术

（五）关于核心专利的冷静思考而华为这次仅获得了eMBB场景中短码的控制信道，而高通却斩获了eMBB场景的长码和短码的编码信道，而且mMTC和uRLLC场景的编码方案还悬而未决。抛开多址技术、多天线技术、射频调制解调技术等关键技术，仅凭在编码上取得了eMBB场景中短码的控制信道，还远远不够对5G核心技术的控制。所以在编码标准的制定上占据一席之地，是中国通信产业取得的胜利以及实力的体现，但还不是制胜5G技术的全部。

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六、５Ｇ的主要应用领域（一）工业领域应用5G在工业领域的应用涵盖研发设计、生产制造、运营管理及产品服务4个大的工业环节。控制结构示意图见下图。

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六、５Ｇ的主要应用领域

（二）车联网与自动驾驶领域的应用

５Ｇ车联网助力汽车、交通应用的智能化升级。狭义的车联网，就是把车和道路、车和车通过网络连起来。支持更高等级、复杂场景的自动驾驶服务，远程遥控驾驶,车辆编队行驶等。对汽车本身而言控制如图3-8所示。图3-8车联网对车辆自身数据的采集示意图

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六、５Ｇ的主要应用领域（三）能源领域的应用1、实现智能电网建设和电力设备的智能化：为智能电网的生产、传输、配电和用电等环节提供快速、高效的数据传输和控制功能。

2、实现电力输变电设施的运行监测：对变电站、输电线路、变压器等设施的实时监测，快速精确故障定位和非故障区域的快速自愈，提高电力系统的故障诊断和维护效率，提升电网供电可靠性。

3、基于5G的机器人/无人机巡检：提高供电效率和检修人员安全性

4、5G智能场站：在风电场、光伏电站等新能源场站中，5G技术有助于实现分散式分布场站的智能化控制和管理。

5、远程运维指导和增强现实安全培训：通过5G网络实现远程运维指导及现实技术和安全培训。

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六、５Ｇ的主要应用领域（三）能源领域的应用“5G技术”在能源领域的应用

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六、５Ｇ的主要应用领域

（四）医疗领域的应用“5G技术”在医疗领域的应用

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六、５Ｇ的主要应用领域

（五）文旅领域的应用“5G技术”在文化旅游领域的应用

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六、５Ｇ的主要应用领域

（六）５Ｇ消息

5G消息是短信业务的升级，也是运营商的一种基础电信服务。它基于IP技术实现业务体验的飞跃，支持的媒体格式更多，表现形式更丰富。2020年4月8日，中国移动、中国电信、中国联通携手11家合作伙伴共同发布《5G消息白皮书》，三大运营商计划在2020年内推出5G消息。2021年7月，中国搜索5G消息在中国移动商用网络正式上线。

信息的传输与通信技术正文第三节

近距离小容量无线通信技术（一）无线保真通信的定义及发展历史

1、定义：基于IEEE802.11b标准的无线局域网（WirelessFidelity，WiFi）叫做“无线保真技术”，简称为“微信”。

无线保真技术技术是一种能够将个人电脑、手持设备等终端以无线方式互相连接的技术。与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。该技术遵循IEEE所制定的802.11x系列标准，主要有三个标准:

一、无线保真通信技术

微信标识

信息的传输与通信技术正文第三节

近距离小容量无线通信技术（一）无线保真通信的定义及发展历史

2、“微信”的发展历史

基于2010年苹果公司发布了iPhone4，代表着具有划时代意义的移动时代来临。随后，美国出现了一个KiK的APP。KiK仅用了一个月的时间就获取了一百万的用户，成为震惊全世界的一个奇迹。

而微信是由中国深圳腾讯控股有限公司（TencentHoldingsLimited）于2010年10月筹划启动。由张小龙带领广州研发中心产品团队推出的一款支持Android以及iOS等移动操作系统、面对智能手机用户的即时通信软件,将它命名为“微信”。张小龙的团队用两个多月的时间，于2011年1月21日开发、发布了第一版微信，至2011年5月，经过了1.1、1.2、1.3三个测试版本之后，微信逐渐增加了对手机通讯录的读取、与腾讯微博私信的互通以及多人会话功能的支持，使微信用户呈指数增长。一、无线保真通信技术

信息的传输与通信技术正文第三节

近距离小容量无线通信技术（一）无线保真通信的定义及发展历史

至2011年5月，微信分别发布了1.1、1.2、1.3三个测试版本；

2011年8月，微信发布2.5版本；

2011年10月，微信发布3.0版本；

2011年12月，微信发布3.5版本；

到2011年底，微信用户已超过5000万。就在二维码社交发布三个月之后，也就是2012年3月，微信用户突破一亿。

2012年5月，微信发布4.0版本；

2012年8月23日，微信公众平台上线；

2012年9月5日，微信4.3版本发布；

2012年9月17日腾讯微信注册用户已破2亿。2013年1月微信用户数突破3亿，成为全球下载量和用户量最多的通信软件，影响力遍及中国大陆、香港、台湾、东南亚，海外华人聚集地和少数西方人。一、无线保真通信技术

信息的传输与通信技术正文第三节

近距离小容量无线通信技术（一）无线保真通信的定义及发展历史

2013年2月，微信发布4.5版；

2013年8月，微信商业化进程正式到来，5.0版本上线；

2013年8月，微信海外版（WeChat）注册用户突破1亿，一个月内新增3000万名用户。2013年10月，微信的用户数已超过了6亿，每日活跃用户1亿以上。

2013年10月，微信升级为5.2版本，Android版界面全新改版；

2014年3月，开放微信支付功能；

2016年3月起，微信支付对转账功能停止收取手续费。

2016年9月，微信小程序正式开启内测。

2017年2月，BrandFinance（金牌金融）发布2017年度全球500强品牌榜单，微信排名第100。2017年3月，微信官方悄然推出了“微信指数”功能。一、无线保真通信技术

信息的传输与通信技术正文第三节

近距离小容量无线通信技术（一）无线保真通信的定义及发展历史

2017年5月，微信支付宣布携手CITCON（西通）正式进军美国。

2017年5月，微信版本更新，新增「微信实验室」功能。

从2017年9月25日17时-28日17时的四天内，手机微信启动页面显示的地球图片也将从以前的NASA（美国国家航空航天局）在全世界范围公开的第一张完整的地球照片，更换为风云四号的成像图。

2017年12月，微信更新的6.6.1版本；

2018年1月31日，微信发布iOS端6.6.2版本；

2018年5月，微信公众号iOS版发布，并更新到了6.6.7版本；

2022年1月，微众银行（微信支付）数字人民币钱包上线；

2022年3月，微信状态最新上线“抗疫”服务；

2022年3月，微信forWindows3.6.0正式版发布。

微信版本趋于完备。

一、无线保真通信技术

信息的传输与通信技术正文第三节

近距离小容量无线通信技术（一）无线保真通信的定义及发展历史

3、微信通信的主要功能

1）基本功能（见本书P86表3-7）

2）生活服务方面的功能（见本书P87至P88表3-8）

3）其他方面的功能（见本书P88至P91表3-9）

一、无线保真通信技术

信息的传输与通信技术正文

第三节

近距离小容量无线通信技术（二）微信的工作原理

1、简介

无线保真（WiFi）技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。尽管WiFi技术也存在着诸如兼容性，安全性等方面的问题，不过它也凭借着自身的优势，如传输速度较快，可以达到11Mbit/s，有效距离也很长等优点，受到厂商和使用者的青睐，在一般的民用通信中占据着主流无线传输的地位。

WiFi

是一种无线联网的技术，以前通过网线连接电脑，而现在则是通过无线电波来联网。常见的就是一个无线路由器，在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用WiFi连接方式进行联网，如果无线路由器连接了一条非对称数字用户线路（AsymmetricalDigitalSubscriberLine，ADSL）或者别的上网线路，则又被称为“热点”。

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第三节

近距离小容量无线通信技术（二）微信的工作原理

２、无线保真通信的技术优势

１）无线电波的覆盖范围广

WiFi的半径可达100ｍ，由Vivato公司推出的新型交换机，能够将通信距离扩大到约6.5Km的范围。

2）传输速度非常快可以达到11Mbit/s，符合个人和社会信息化的需求。

３）厂商进入该领域的门槛比较低只要在机场、车站、图书馆等人员较密集的地方设置热点，并通过高速线路将因特网接入，由于热点所发射出的电波可以达到距接入点半径数千米的地方，用户只要将支持无线网络的笔记本计算机或手机置于该区域内，即可高速接入因特网。

信息的传输