什么才是真正的5G技術(shù)？用戶體驗(yàn)速率達(dá)1Gbps，時(shí)延低至1ms

第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5th Generation Mobile Communication Technology，簡(jiǎn)稱5G)是具有高速率、低時(shí)延和大連接特點(diǎn)的新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)，5G通訊設(shè)施是實(shí)現(xiàn)人機(jī)物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)定義了5G的三大類應(yīng)用場(chǎng)景，即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(eMBB)、超高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)和海量機(jī)器類通信(mMTC)。

增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(eMBB)主要面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量爆炸式增長(zhǎng)，為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶提供更加極致的應(yīng)用體驗(yàn);超高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)主要面向工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)駕駛等對(duì)時(shí)延和可靠性具有極高要求的垂直行業(yè)應(yīng)用需求;海量機(jī)器類通信(mMTC)主要面向智慧城市、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用需求。為滿足5G多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景需求，5G的關(guān)鍵性能指標(biāo)更加多元化。ITU定義了5G八大關(guān)鍵性能指標(biāo)，其中高速率、低時(shí)延、大連接成為5G最突出的特征，用戶體驗(yàn)速率達(dá)1Gbps，時(shí)延低至1ms，用戶連接能力達(dá)100萬(wàn)連接/平方公里。

一項(xiàng)新技術(shù)概念出現(xiàn)后，在業(yè)界會(huì)出現(xiàn)一個(gè)研究討論的高潮，這是第一個(gè)駝峰。相關(guān)的學(xué)術(shù)論文會(huì)為熱點(diǎn)，成堆的博士碩士依托這項(xiàng)新技術(shù)完成了畢業(yè)論文，雖然很熱鬧，但這僅僅局限在學(xué)術(shù)研討層面上，而在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面還存在著很多問(wèn)題，或者因成本原因而根本無(wú)法量產(chǎn)。研究討論高潮逐漸降溫，這是第一個(gè)駝峰的下落期，接下來(lái)是低調(diào)務(wù)實(shí)的技術(shù)攻關(guān)，這個(gè)平臺(tái)期可能幾年也可能一二十年，當(dāng)技術(shù)問(wèn)題都解決后，就會(huì)迎來(lái)商家量產(chǎn)和投入市場(chǎng)的熱潮，這就是第二個(gè)駝峰。按照國(guó)際電信聯(lián)盟關(guān)于2020年的規(guī)劃，5年后就要全面進(jìn)入5G了，而到現(xiàn)在核心技術(shù)體系還沒(méi)有確立。

回顧3G技術(shù)發(fā)展史，國(guó)際電信聯(lián)盟于1998年6月30日接收了3G技術(shù)提案，并迎來(lái)了第一個(gè)駝峰期，直到2009年1月7日,工業(yè)和信息化部正式發(fā)放了三張3G牌照，這才進(jìn)入到第二個(gè)駝峰，平臺(tái)期持續(xù)了11年，特別是三張牌照之一的TD-SCDMA，直到2013年才真正成熟，平臺(tái)期長(zhǎng)達(dá)15年，可剛成熟4G時(shí)代就來(lái)臨了。按照“雙駝峰規(guī)律”，5年后將在全球推廣使用的技術(shù)，應(yīng)在2010年左右就迎來(lái)第一個(gè)駝峰，而不會(huì)在2020前的兩三年橫空出世，然后迅速被國(guó)際電信聯(lián)盟確定為全球的5G標(biāo)準(zhǔn)，這違反了一般的技術(shù)發(fā)展規(guī)律，不太可能成真。

移動(dòng)通信傳統(tǒng)工作頻段主要集中在3GHz以下，這使得頻譜資源十分擁擠，而在高頻段(如毫米波、厘米波頻段)可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，可以實(shí)現(xiàn)極高速短距離通信，支持5G容量和傳輸速率等方面的需求。

高頻段在移動(dòng)通信中的應(yīng)用是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，業(yè)界對(duì)此高度關(guān)注。足夠量的可用帶寬、小型化的天線和設(shè)備、較高的天線增益是高頻段毫米波移動(dòng)通信的主要優(yōu)點(diǎn)，但也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影響等缺點(diǎn)。射頻器件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的問(wèn)題也有待進(jìn)一步研究和解決。

監(jiān)測(cè)中心目前正在積極開展高頻段需求研究以及潛在候選頻段的遴選工作。高頻段資源雖然目前較為豐富，但是仍需要進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，統(tǒng)籌兼顧，從而使寶貴的頻譜資源得到最優(yōu)配置。

OFDM可以有效地對(duì)抗信道的多徑衰落，具有成熟的多天線技術(shù)，支持靈活的頻率選擇性調(diào)度，這些特性使它能夠高效地支撐4G的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)。

OFDM本身也具有一些缺點(diǎn)，在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)景下，它的性能會(huì)受到限制。OFDM較高的帶外泄露不利于碎片化頻譜的場(chǎng)景，需要較大的保護(hù)帶開銷。OFDM對(duì)時(shí)頻同步的要求造成了較大的同步信令開銷，不利于大連接的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

統(tǒng)一的TTI長(zhǎng)度、CP長(zhǎng)度、子載波間隔等參數(shù)配置不能與用戶的信道環(huán)境和業(yè)務(wù)類型相匹配，在業(yè)務(wù)和信道環(huán)境差異較大的情況下，很難同時(shí)滿足不同用戶的需求。

一、新型多載波技術(shù)

由于未來(lái)5G應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)類型的巨大差異，單一的波形很難滿足所有的需求，多種波形技術(shù)將共存，在不同的場(chǎng)景下發(fā)揮著各自的作用。

新型多載波應(yīng)當(dāng)從場(chǎng)景和業(yè)務(wù)的根本需求出發(fā)，以最適合的波形和參數(shù)，為特定業(yè)務(wù)達(dá)到最佳性能發(fā)揮基礎(chǔ)性的作用。為了更好地支撐5G的各種應(yīng)用場(chǎng)景，新型多載波的研究需要關(guān)注多種需求。

新型多載波需要能更好地支持新業(yè)務(wù)。和4G主要關(guān)注移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)不同，5G的業(yè)務(wù)類型將更加豐富，尤其是大量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將涌現(xiàn)，例如低成本大連接的機(jī)器通信業(yè)務(wù)，低時(shí)延高可靠的V2V業(yè)務(wù)等，這些業(yè)務(wù)對(duì)基礎(chǔ)波形提出了新的要求。

新的多載波技術(shù)除了兼顧傳統(tǒng)的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)之外，也需要對(duì)這些物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)具有良好的支持能力。靈活性是對(duì)新型多載波的另外一個(gè)需求，在5G網(wǎng)絡(luò)中，以人為中心的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)和以機(jī)器為中心的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)同時(shí)存在，它們之間的巨大差異性對(duì)基礎(chǔ)波形的靈活性提出了較高要求。

隨著時(shí)代的不斷更新以及科技的不斷進(jìn)步，通訊時(shí)代已經(jīng)發(fā)展到全面4G時(shí)代，而現(xiàn)如今，熱潮來(lái)襲的5G時(shí)代將要成為全民時(shí)代，第五代移動(dòng)通訊，已成為全球研發(fā)的熱點(diǎn)。

簡(jiǎn)單說(shuō)，5G就是第五代通信技術(shù)，主要特點(diǎn)是波長(zhǎng)為毫米級(jí)，超寬帶，超高速度，超低延時(shí)。1G實(shí)現(xiàn)了模擬語(yǔ)音通信，大哥大沒(méi)有屏幕只能打電話;2G實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音通信數(shù)字化，功能機(jī)有了小屏幕可以發(fā)短信了;3G實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音以外圖片等的多媒體通信，屏幕變大可以看圖片了;4G實(shí)現(xiàn)了局域高速上網(wǎng)，大屏智能機(jī)可以看短視頻了，但在城市信號(hào)好，老家信號(hào)差。

1G~4G都是著眼于人與人之間更方便快捷的通信，而5G將實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、萬(wàn)物互聯(lián)，讓人類敢于期待與地球上的萬(wàn)物通過(guò)直播的方式無(wú)時(shí)差同步參與其中。第五代移動(dòng)通信技術(shù)(英語(yǔ)：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，簡(jiǎn)稱5G或5G技術(shù))是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，也是即4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系統(tǒng)之后的延伸。5G的性能目標(biāo)是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。

5G通過(guò)電磁波的方式通訊。電磁波有一個(gè)特點(diǎn)，頻率越高，波長(zhǎng)越短，速率越快，傳輸能力越差。這里面?zhèn)鬏斔俾屎蛡鞑ツ芰Τ上嗷ブ萍s的關(guān)系。如果純粹追求速率的提升，那么理論上把電磁波的頻率提高就可以了。但是會(huì)出現(xiàn)這么一種情況：之前4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋只需要一個(gè)發(fā)射塔，但是換成5G信號(hào)之后，就可能需要4個(gè)或者以上的基站。

基站成本一直是制約5G發(fā)展最大的絆腳石，但同時(shí)也是移動(dòng)設(shè)備運(yùn)營(yíng)的機(jī)會(huì)。設(shè)備多并不可怕，只要有人埋單，羊毛出在羊身上。更何況還可以用微型基地臺(tái)來(lái)取代過(guò)往的大基地臺(tái)，降低成本。也就是說(shuō)，華為和高通這一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)，確實(shí)意義非凡。誰(shuí)贏下這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)就意味著贏得海量的5G配套訂單。

5G的技術(shù)創(chuàng)新，主要來(lái)源于無(wú)線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩方面。在無(wú)線技術(shù)領(lǐng)域，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和全頻譜接入等技術(shù)，已成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn);在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域、基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)取得廣泛共識(shí)。大規(guī)模天線陣列在現(xiàn)有多天線基礎(chǔ)上通過(guò)增加天線數(shù)可支持?jǐn)?shù)十個(gè)獨(dú)立的空間數(shù)據(jù)流，將數(shù)倍提升多用戶系統(tǒng)的頻譜效率，對(duì)滿足5G系統(tǒng)容量與速率需求起到重要的支撐作用。