5G与智慧医疗

第1章　绪论 1.1　移动通信发展历程(1G～5G) 人类是一种具有社会性特点的高级智慧动物，因此，人类之间的个体交流即通信行为自古就有，事实上，交流能力是推动人类进化发展的关键活动之一，它同时也随着人类智力的发展不断进步。在刀耕火种的远古时期，人们就开始利用简单的语言、图符交换信息。随着人类文明的发展，人们的通信方式、信息载体、传输速率和传递内容也不断地发展变化。直到电力的发明和应用，人类的通信才终于摆脱了烽火狼烟、飞鸽传书和驿马邮递的束缚，开启了通信历史的新纪元。1835年，美国人莫尔斯成功研制出世界上首台电磁式电报机。1875年，苏格兰贝尔发明了**台电话机，并在波士顿和纽约之间成功地进行了长途电话实验。以电波为载体的通信方式给人们的社会生活带来了极大的便捷，同时，通信领域的飞速发展又加速着人类社会方方面面的发展变迁。 移动通信的出现离我们并不遥远，20世纪70年代末至今，短短几十年，移动通信技术经历了飞速的发展。如今，第五代移动通信技术(5th generation，5G)已经投入商用，在5G技术的引领下，人类社会正快速深刻地发生着变革。 **代移动通信技术(1st generation，1G)诞生于1979年，称为高级移动电话系统，该系统为*早的蜂窝无线电话系统，语音通过未加密的无线电波传播。1G接入技术采用频分多址(frequency division multiple access，FDMA)。 第二代移动通信技术(2nd generation，2G)于20世纪90年代出现在欧洲，它以数字语音传输技术为核心，其主要代表是以时分多址(time division multiple access，TDMA)为接入技术的全球移动通信系统(global system for mobile communications，GSM)。GSM是欧洲电信标准组织(European Telecommunications Standards Institute，ETSI）制订的数字移动通信标准，自投入商用以来，被全球超过100个国家采用。2G网络能够对数字语音信号进行加密，并能有效地提高无线频谱利用率，提供与拨号互联网或早期数字用户线路(digital subscriber line，DSL)服务类似的数据传输。 第三代移动通信技术(3rd generation，3G)出现于21世纪初。2008年，第三代移动通信标准由国际电信联盟(International Telecomunication Union，ITU)正式公布，中国也首次提出了我国的时分同步码分多址(time division-synchronous code division multiple access，TD-SCDMA)标准，并被正式接收为3G标准之一，通过与欧洲的宽带码分多址(wideband code division multiple access，WCDMA)、美国的码分多址2000(code division multiple access 2000，CDMA2000)相比，时分双工(time division duplex，TDD)是我们主要的技术特征。3G系统全部采用码分多址(code division multiple access，CDMA)技术，它以扩频方式提高了蜂窝小区的抗干扰能力，因此具有频谱利用率高、信号覆盖好和组网简单等优点。与2G相比，3G容量提升了8倍，其主要特征是可提供移动宽带多媒体业务，开辟了除了音频的图像及视频流服务内容，使得网页浏览、移动电话会议、实时电子商务服务成为现实。 第四代移动通信系统(4th generation，4G)改进并增强了3G的空口接入技术，采用正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)与多入多出(multiple-input multiple-output，MIMO)相结合的技术，据此形成无线网络演进的标准。2012年，国际电信联盟正式审议通过了4G国际标准，将LTE长期演进高级标准(Long Term Evolution-Advanced，LTE-Advanced)和802.16m确立为高级国际移动通信(International Mobile Telecommunications-Advanced，IMT-Advanced)的两大关键技术规范，其中包含了由我国主导制定的时分长期演进(TD-LTE- Advanced)标准，这标志着我国在移动通信标准制定领域已跻身世界前列。4G能够实现100Mbit/s的下载速度，可以传输高质量的视频图像，其在上网速度、容量和稳定性上，都较3G技术有了明显提升。在4G技术支持下，个人移动互联网时代终于到来，移动支付、共享单车、短视频等新兴产业和应用在移动互联网的支持下飞速发展。 2017年12月，在国际电信标准组织的第三代合作项目(The 3rd Generation Partnership Project，3GPP)第78次全体会议上，5G NR(new radio)首发版本正式发布，标志着全球**个可商用部署的5G标准诞生。2018年6月，3GPP 5G NR标准独立组网(Standalone，SA)方案正式发布，标志着首个真正完整意义的国际5G标准正式出炉。2019年6月6日，我国工业和信息化部正式发放5G商用牌照，标志着中国正式开启5G商用元年，正式进入5G时代。华为凭借端到端全面领先的5G能力、标准提案与5G基本专利持续排名业界**的绝对优势成为5G时代的全球领跑者。 图1.1给出了移动通信发展历程的一个大致年代划分，基本上是10年一代，每一个时代的到来，都会带给人们不同以往的全新体验。如今已是4G时代的尾声，由4G所推动的移动互联网彻底改变了人们的生活方式。对于已经到来的5G人们寄予厚望，4G改变生活，而5G是服务驱动的系统，将直接服务于垂直行业，其中5G网络架构加入了适应不同服务的元素，并提供高于4G的峰值速率，而5G车载通信的端到端时延将达到毫秒级。5G与云计算、大数据、物联网和人工智能相结合，将开启万物广泛互联、人机深度交互的崭新时代。 图1.1　移动通信发展历程 1.2　5G与生活 5G具有三大网络能力：增强型移动宽带(enhanced mobile broadband，eMBB即大带宽)、海量机器类通信(massive machine type communication，mMTC即大连接)及高可靠低时延通信(ultra reliable and low latency communication，uRLLC即低时延)。虽然目前的5G大都处于非独立组网(non-standalone，NSA)下的应用阶段，但已能提供很高的上网速度与下载速度。未来SA架构下的5G速度更会比现在应用阶段的速度快10倍。速度是5G和4G*明显的区别。5G将应用和服务融为一体。5G的不断推进将给人们生活的方方面面带来巨大的变化。 1.2.1　5G与个人 在5G助力下，未来个人生活将更加便捷、智能、以人为本。4G时代移动互联网的飞速发展给人们的生活带来极大便利，随之而来的5G时代，速度和容量都将得到极大提升，将孕育新一轮移动互联网业务的创新发展，人们的衣食住行都将受到深刻影响。如在以下领域中，会涌现出5G的各种创新服务。 1. 5G智能可穿戴设备 物联网技术不断进步推动着智能可穿戴设备的发展，每个智能可穿戴设备均可看成一个物联网入口。具有数据采集和运算能力的智能可穿戴设备可以通过5G网络实现即时高效互联。智能可穿戴设备与其接入的网络将极大地拓展穿戴者的各项能力。智能可穿戴设备在健康监测、社交娱乐和虚拟现实等方面均有涉及。近年来，智能可穿戴设备销量不断上升，品类日渐丰富，其应用分布于社交网络、医疗健康信息管理、车载导航和商务等多个领域，如图1.2和图1.3所示。随着5G时代的来临，智能可穿戴设备将趋于多元化，更多物联网设备将得到整合应用，人们的生活将更加智能、高效。 图1.2　智能可穿戴设备-脑电控制 图1.3　智能可穿戴设备-智能手套 2. 5G智能家居 图1.4为智能家居系统，它以住宅为平台场景，汇集通信、自动控制、物联网等多项技术，连接智能终端(如电视、照明系统、自动窗帘、空调调温、安防监护设备、数字家庭影院、影音服务器等)，将所有功能集中于网络平台，实现家电控制、照明调节、电话远程接听、室内外设备遥控、防盗自动报警、温度湿度控制，以达到既舒适又环保的生态品质，实现家庭智能终端全方位的信息交互，组成高效的社区设施与家庭日程事务管理系统，改善居住条件，包括：安全性、便利性和智能性，并达到高水平和高效率服务的目的[1]。对家居智能终端和设备的控制管理，需要可靠的通信及高效、稳定的网络。5G时代将有效地改善信息传输慢、设备信息交换时延大等情况，智能家居产品将更灵敏，传统家电设备的响应速度也会大幅提升，智能家居系统能承载更多的设备连接，传输更大的流量，能承载更多想象与可能。 图1.4　智能家居系统 3. 5G自动驾驶 自动驾驶技术的长足进步起始于计算机和人工智能的出现。早在20世纪80年代，美国军方研制的自主地面车辆(autonomous land vehicle，ALV)装配了计算机、摄像机、激光雷达，初步实现了自动驾驶。图1.5为自动驾驶概念图，自动驾驶的基本原理是将摄像技术、数字雷达和传感器集成在计算机处理平台上，通过运算将信息源的数据用于各种应用目标，使得它的应用比以往系统更安全可靠。 自动驾驶依靠本地传感器对外界的感知是非常受限的，因此还需要车联网(vehicle to everything，V2X)技术来进一步提升自动驾驶的安全性。蜂窝车联网(cellular-vehicle to everything，C-V2X)指车与外界万物的信息交换，它是基于蜂窝网络的车联网技术[2]。车联网包括了车辆与网络(vehicle to network，V2N)、车辆与车辆(vehicle to vehicle，V2V)、车辆与道路基础设施(vehicle to infrastructure，V2I)和车辆与行人(vehicle to pedestrian，V2P)之间的连接性。C-V2X基于3GPP生态系统和连续完善的蜂窝网络覆盖，可大幅地节约自动驾驶和车联网部署成本。C-V2X是从LTE-V2X到5G V2X的平滑演进，既支持现有的LTE-V2X，也支持5G V2X的全新应用。V2X可视为一种无线传感器系统的解决方案，允许车辆通过车联网与外界交互和共享信息，以识别来自更大范围的感知信息，预警潜在危险，保证自动驾驶的安全性。 2016年是公认的自动驾驶元年。随着通信、车联网技术的发展，借着深度学习、高精地图、智能硬件的东风，自动驾驶领域成为汽车全产业链的风口。可以预见，未来5G的毫秒级网络时延与极高可靠性必然促使基于车联网的自动驾驶技术高速发展，人们的出行方式，乘车体验也将随着自动驾驶的全面普及而改变。 图1.5　自动驾驶概念图 4. 5G虚拟现实 如图1.6所示，虚拟现实(virtual reality，VR)是仿真技术与计算音频视频、人机接口、环境传感技术与网络结合的集合，主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面，目标是将用户置身于虚拟环境之中，为其创建全数字化、身临其境的虚拟现实体验[3]。 图1.6　虚拟现实与沉浸式体验