一文解析5G未來應(yīng)用及技術(shù)難點(diǎn)

5G即為第五代移動(dòng)電話行動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，也稱第五代移動(dòng)通信技術(shù)。根據(jù) IMT-2020 網(wǎng)絡(luò)對(duì)5G 的設(shè)計(jì)理念，5G關(guān)鍵技術(shù)以 SDN、NFV和云為基礎(chǔ)，向著自動(dòng)、智能、靈活、高效、穩(wěn)定的方向發(fā)展。5G峰值網(wǎng)絡(luò)速率將達(dá)到10Gbps、網(wǎng)絡(luò)傳輸速度比4G快10-100倍、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延從4G的50毫秒縮短到1毫秒、滿足1000億量級(jí)的網(wǎng)絡(luò)連接。

1   加速普及物聯(lián)網(wǎng)

從 4G 開始，物聯(lián)網(wǎng)在智能家居行業(yè)已經(jīng)興起，但只是處于初級(jí)階段。未來數(shù)年，5G的更高速率、更短時(shí)延、更大規(guī)模、更低功耗，將能夠有效滿足物聯(lián)網(wǎng)的特殊應(yīng)用需求，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)新用例，加快物聯(lián)網(wǎng)的落地和普及，如智慧醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

2   普及云端化生活

如果 5G 時(shí)代到來，4K 視頻甚至是 8K 視頻將能夠流暢實(shí)時(shí)播放 ；云技術(shù)將會(huì)更好的被利用，生活、工作、娛樂將都有“云”的身影；極高的網(wǎng)絡(luò)速率也意味著硬盤將被云盤所取締 ；隨時(shí)隨地可以將大文件上傳到云端。由于智能終端和應(yīng)用的普及，使得移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求越來越大，內(nèi)容越來越多，按需智能推送內(nèi)容，提升用戶體驗(yàn)。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)移動(dòng)智能終端進(jìn)入和構(gòu)成移動(dòng)設(shè)備云。

3   提升智能交互

VR直播、無人機(jī)陣列、無人駕駛汽車、人工智能、遠(yuǎn)程醫(yī)療間的數(shù)據(jù)交換，都需要運(yùn)用到5G 技術(shù)進(jìn)行龐大的數(shù)據(jù)吞吐量，并具有極短的延遲時(shí)間。城市交通、市民生活、醫(yī)療健康、生活治理將邁入新的時(shí)代。在多平臺(tái)開發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn) 5G 網(wǎng)絡(luò)超高速數(shù)據(jù)傳輸、低延時(shí)用戶感知，未來全新多方位的用戶體驗(yàn)將呈現(xiàn)在使用者面前，例如虛擬導(dǎo)航將通過超高速數(shù)據(jù)用戶體驗(yàn)實(shí)時(shí)訪問城市街道及大型場(chǎng)景建筑地圖數(shù)據(jù)庫(kù)；移動(dòng)遠(yuǎn)程醫(yī)療的用戶可以根據(jù) 5G 低延時(shí)、高速特性在沒有醫(yī)療室高速行駛的列車上通過視頻通信獲取遠(yuǎn)端醫(yī)生的協(xié)助，及時(shí)運(yùn)用人工智能手段解決用戶醫(yī)療難題。

5G的技術(shù)體系

和4G相比，5G的提升是全方位的，按照3GPP的定義，5G既包括大規(guī)模天線，超密集組網(wǎng)，新型多址技術(shù)、全頻譜接入及新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，也包括新型信息中心網(wǎng)絡(luò)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、虛擬化、云存儲(chǔ)等基礎(chǔ)支撐技術(shù)?？偟膩碚f，5G的技術(shù)體系分為基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)兩個(gè)層面。

一、基礎(chǔ)技術(shù) 

1   新型信息中心網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)通信 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)難以實(shí)現(xiàn)全面海量數(shù)據(jù)的發(fā)布，而以 ICN（信息中心網(wǎng)絡(luò)）為代表的新技術(shù)優(yōu)勢(shì)日益明顯。5G注重利用 ICN、IP 的雙重結(jié)合，針對(duì)擴(kuò)展性、數(shù)據(jù)移動(dòng)性、數(shù)據(jù)部署等情況設(shè)定實(shí)用型目標(biāo)戰(zhàn)略，與 SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）相互融合，考慮數(shù)據(jù)平面與控制平面的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)情況，并為其提供動(dòng)態(tài)配置環(huán)境。

2   SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))與 NFV(網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）

利用數(shù)據(jù)分離、軟件化、虛擬化概念，為 5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)支撐，也是歐盟所公布的 5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展審核標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容。SDN 以基礎(chǔ)設(shè)施層（網(wǎng)絡(luò)最底層）、中間層（控制層）、最上層（應(yīng)用層）為主，涵蓋了 API 網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)用內(nèi)容。NFV 是從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的角度出發(fā)的網(wǎng)絡(luò)體系，利用 IT 技術(shù)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)功能虛擬化，并與所對(duì)應(yīng)的功能塊相銜接，便于統(tǒng)一調(diào)用相關(guān)虛擬資源。

3   5G芯片技術(shù)

在高寬帶收發(fā)系統(tǒng)、可見光通信、調(diào)制解調(diào)器、移動(dòng)終端、大規(guī)模天線、云后臺(tái)服務(wù)等諸多環(huán)節(jié)都需要芯片支撐，而且比4G的性能要求更高、尺寸更小。

4   云后臺(tái)服務(wù)

云服務(wù)安全、可靠并形成中心式云后臺(tái)，利用量子密碼學(xué)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)5G安全的實(shí)現(xiàn)，可以有效的避免不必要的資源浪費(fèi)，并且可以降低物理層面的存儲(chǔ)支出，有效縮減第三方的存儲(chǔ)器代理提供的費(fèi)用。

二、應(yīng)用技術(shù) 

5G的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)分為覆蓋增強(qiáng)技術(shù)、頻效提升技術(shù)、頻譜擴(kuò)展技術(shù)、能效提升技術(shù)等四個(gè)類別。

1   覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

在云后臺(tái)技術(shù)的支撐下，覆蓋增強(qiáng)技術(shù)由密集異構(gòu)組網(wǎng)組成?？s小覆蓋半徑，以頻譜資源的空間復(fù)用，提高頻譜效率，從而提高業(yè)務(wù)量。在 5G 的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，利用宏站和低功率小型基站進(jìn)行覆蓋，包括4G、Wi-Fi、LTE 等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，通過增加站點(diǎn)密度減少節(jié)點(diǎn)間的距離，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離終端更近，令頻譜效率以及系統(tǒng)容量得到大幅度的提升。

2   頻效提升技術(shù)

一是MIMO (MulTIple-Input MulTIple-Output)天線技術(shù)。該技術(shù)是在接收端及發(fā)送端使用多個(gè)天線進(jìn)行接收和發(fā)送，大規(guī)模的增加天線數(shù)量，在不增加頻譜資源或總功率耗損的條件下提高信道容量、吞吐量及傳送距離，從而改善通信質(zhì)量。

二是可利用節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展技術(shù)。大規(guī)模 MIMO中基站天線的數(shù)量    陣列沒有空間時(shí)域限制，并且上行導(dǎo)頻采用的是時(shí)分雙工進(jìn)行的信度估計(jì)，將大大提升頻效。

三是新型傳輸波形。OFDM（正交頻分復(fù)用。一種無線環(huán)境下的高速多載波傳輸技術(shù)。）是當(dāng)前 Wi-FI和 LTE 標(biāo)準(zhǔn)中的高速無線通信的主要傳信模式，與傳統(tǒng)的 FDM 模式相比，頻譜利用率提升接近 1 倍，而且具有抗頻率選擇性衰落，并可充分的利用 FFT/IFFT模塊，實(shí)現(xiàn)容易、易操作。OFDM 仍然是未來 5G 的關(guān)鍵傳輸波形技術(shù)，但是其性能參數(shù)等有待優(yōu)化提高。

四是非正交多址接入技術(shù)。非正交多址接入技術(shù)（NOMA）把功率域由傳統(tǒng)的單用戶改為多用戶共享，并把無線接入能量提升 50%，非正交多址接入技術(shù)新增功率域，可以滿足每個(gè)用戶不同的路徑損耗實(shí)現(xiàn)復(fù)用。

五是先進(jìn)調(diào)制編碼技術(shù)。為了將來在有限的通信資源基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更高層次的吞吐量、高頻譜利用率及高服務(wù)高運(yùn)轉(zhuǎn)速度的無線傳輸，5G 迫切需要實(shí)現(xiàn)編碼空間調(diào)制，即在傳統(tǒng)的二位映射基礎(chǔ)上延伸至三維映射中去，并以天線實(shí)際的物理位置定位為依據(jù)來攜帶部分發(fā)送信息，以此提高頻譜效率。

3   頻譜擴(kuò)展技術(shù)

頻譜擴(kuò)展技術(shù)是當(dāng)今最先進(jìn)的無線通信技術(shù)，包括認(rèn)知無線電、毫米波、可見光通信等技術(shù)。一是認(rèn)知無線電，是伴隨移動(dòng)通信領(lǐng)域快速發(fā)展的無線電通信頻譜利用率的新技術(shù)，認(rèn)知功能的無線通信有效地利用時(shí)間和空間上的空閑頻譜資源來提供無線通信務(wù)，全動(dòng)態(tài)利用“頻譜空穴”，并在此資源基礎(chǔ)上利用空間、時(shí)間適時(shí)調(diào)整功率、頻率、調(diào)制及其它動(dòng)態(tài)參數(shù)獲取最佳的頻帶利用效果。二是毫米波，采用毫米波通信能夠很有效的緩解頻譜資源緊張的狀態(tài)也可以提升通信容量。由于 5G的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，毫米波具有波束集中，提高能效 ；方向性好，受干擾影響小 ；波束窄的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力提高通信的可靠性。三是可見光通信，可見光通信具有廣泛性、高速率性、寬頻譜、低成本、高保密性、實(shí)用性等特點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信等領(lǐng)域獲得廣泛認(rèn)同新技術(shù)，其應(yīng)用滲透到航空、軍事、地鐵、通信等領(lǐng)域，并在未來 5G 通信中占有一席之地。

4   能效提升技術(shù)

一是多域協(xié)同無線資源管理，主要是業(yè)務(wù)域話音、非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、多媒體及廣播和用戶域協(xié)同合作利用，并在充分配合碼域、時(shí)域、空域、頻域及能量域的資源域共同完成多域協(xié)同資源的管理；二是多協(xié)同可以實(shí)現(xiàn)跨層資源的聯(lián)合調(diào)度，在跨網(wǎng)優(yōu)化中實(shí)現(xiàn)協(xié)同通信，促進(jìn)交流、增加合作，跨網(wǎng)資源聯(lián)合優(yōu)化配置。  

國(guó)內(nèi)5G的技術(shù)難點(diǎn)

1   5G芯片

國(guó)外高通、英特爾等企業(yè)領(lǐng)先國(guó)內(nèi)華為、中興。在2017年世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上，高通基于面向移動(dòng)終端的5G調(diào)制解調(diào)器芯片組成功實(shí)現(xiàn)全球首個(gè)正式發(fā)布5G數(shù)據(jù)連接。英特爾推出了首個(gè)支持5GNR的多模商用調(diào)制解調(diào)器家族——英特爾XMM8000系列。其中XMM8060為英特爾首款多模、全頻段的商用5G調(diào)制解調(diào)器，預(yù)計(jì)于2019年中用于5G商用客戶設(shè)備。我國(guó)華為、展訊等企業(yè)也相繼推出了5G芯片，但是在基帶技術(shù)上與英特爾、高通有著不小的差距。根據(jù)不久前展訊展示的芯片技術(shù)路線圖，將會(huì)在2019年底前推出基于3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)的5G基帶芯片，可以估測(cè)其技術(shù)與世界領(lǐng)先水平還有3-5年的差距。雖然在2017世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上，華為獲得“3GPP 5G預(yù)商用系統(tǒng)”科技成果獎(jiǎng)，但僅顯示華為在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的實(shí)力。華為發(fā)布的5G芯片組，體積比較大，并不適合于移動(dòng)終端對(duì)尺度、功能和銜接速率的完美需求。高通X50芯片的體積和50分歐元硬幣差不多大，充分顯示其技術(shù)實(shí)力和領(lǐng)先地位。從深層次來看，國(guó)內(nèi)外芯片方面的主要差距表現(xiàn)在：

一是關(guān)鍵核心技術(shù)缺失。國(guó)外射頻芯片和器件技術(shù)已經(jīng)非常成熟，尤其是面向高頻應(yīng)用的BAW和FBAR 濾波器，我國(guó)BAW和FBAR專利儲(chǔ)備十分薄弱，自主研發(fā)面臨諸多壁壘。二是缺乏成熟的商用工藝支撐，整體落后世界領(lǐng)先水平兩代以上。砷化鎵、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體代工市場(chǎng)主要集中在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)；鍺硅和絕緣硅材料工藝方面主要被格羅方德、TowerJazz等大廠掌控。三是產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同性不夠，當(dāng)前我國(guó)面向5G，國(guó)內(nèi)芯片缺乏與軟件、整機(jī)設(shè)備、系統(tǒng)應(yīng)用、測(cè)試儀器儀表等產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)節(jié)的緊密互動(dòng)。

2  云計(jì)算軟硬件

5G 網(wǎng)絡(luò)是由大型服務(wù)器組成的云計(jì)算平臺(tái)，主要通過具有數(shù)據(jù)減緩功能的路由器和交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)來連接基站，采用宏基站能夠?qū)崿F(xiàn)云存儲(chǔ)功能，通過云計(jì)算處理時(shí)效性強(qiáng)的數(shù)據(jù)、處理多樣化的業(yè)務(wù)、產(chǎn)生功能多樣化的連接方式，全面實(shí)現(xiàn)信息通信技術(shù)的智能化。5G 的云化趨勢(shì)包括 ：基帶處理能力的云化( 云架構(gòu)的RAN， 即 C-RAN)、 采 用 移 動(dòng) 邊 緣 內(nèi) 容 與 計(jì) 算 (mobile ed gecontent and compuTIng，MECC)、終端云化 。C-RAN 是將多個(gè)基帶處理單元（baseband unit， BBU）集中起來，通過大規(guī)模的基帶處理池為成百上千個(gè)遠(yuǎn)端射頻單元(remote radio unit，RRH)服務(wù)。 此時(shí)，基帶處理能力是云化的虛擬資源。5G將采用 MECC， 即在靠近移動(dòng)用戶的位置上提供IT 服務(wù)環(huán)境和云計(jì)算能力，使應(yīng)用、服務(wù)和內(nèi)容部署在分布式移動(dòng)環(huán)境中，針對(duì)圖像、視頻、制圖等，將計(jì)算和存儲(chǔ)卸載到無線接入網(wǎng)，從而降低了對(duì)通信帶寬的開銷，并提高了實(shí)時(shí)性。

但是，云計(jì)算的服務(wù)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、云終端及虛擬化軟件、中間件、云調(diào)度、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的生產(chǎn)被國(guó)外企業(yè)VMware、EMC、OPENSTACK、IBM等掌控。在云服務(wù)方面，亞馬遜占領(lǐng)全球一半以上的市場(chǎng)份額；在海量存儲(chǔ)方面，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)一直被EMC、三星、SK海力士、美光、東芝等國(guó)際存儲(chǔ)器巨頭所壟斷，國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)器的發(fā)展一直比較緩慢。

3   毫米波高頻及高頻器件

首先5G需要在復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景中提供幾百Gibt/s甚至幾個(gè)Gbit/s的通信能力，需要高、中、低頻協(xié)同工作，頻段高意味著波長(zhǎng)小、相應(yīng)的天線尺寸小，偏向于采用多天線。

其次高頻信號(hào)衰落快，需要超密集組網(wǎng)，在人口密集的特大城市，將面臨城市居民的潛在阻力，并且中心城區(qū)高樓密集，對(duì)有較強(qiáng)方向性特征的高頻數(shù)據(jù)的遮擋不可避免，很難形成最佳用戶體驗(yàn)。

第三，高頻關(guān)鍵器件的特性和成熟度對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也帶來一些新的挑戰(zhàn)。我國(guó)5G試驗(yàn)已經(jīng)規(guī)劃了26GHz和39GHz作為高頻試驗(yàn)頻段，但是此前高頻段較少應(yīng)用于民用通信領(lǐng)域，所以相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈配套環(huán)節(jié)并不十分成熟，其中最突出的問題就是高頻器件較為薄弱，研制大帶寬、低噪聲、高效率、高可靠性、多功能和低成本的高頻器件，仍是產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。

國(guó)際上，三星公司在毫米波高頻及高頻器件方面走在了前列，早在2016年三星和我國(guó)雙方共同完成5G毫米波的關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試。同年12月1日，三星又與日本電信巨頭KDDI Corp. 攜手，成功在時(shí)速超過100公里的火車上，首度實(shí)現(xiàn)了在5G網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速度順利達(dá)到 1.7Gbps。

4   5G排除信號(hào)干擾的算法

一是現(xiàn)有的干擾協(xié)調(diào)算法已不再適用。在 5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，干擾是一個(gè)必須解決的問題。網(wǎng)絡(luò)中的干擾主要有:同頻干擾，共享頻譜資源干擾，不同覆蓋層次間的干擾等?，F(xiàn)有通信系統(tǒng)的干擾協(xié)調(diào)算法只能解決單個(gè)干擾源問題，而在 5G 網(wǎng)絡(luò)中，相鄰節(jié)點(diǎn)的傳輸損耗一般差別不大，這將導(dǎo)致多個(gè)干擾源強(qiáng)度相近，進(jìn)一步惡化網(wǎng)絡(luò)性能，使得現(xiàn)有協(xié)調(diào)算法難以應(yīng)對(duì)。

二是為了滿足移動(dòng)性需求，需要新的切換算法。在超密集網(wǎng)絡(luò)中，密集地部署及形狀的不規(guī)則，導(dǎo)致頻繁復(fù)雜的切換。新的切換算法和網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署技術(shù)成為研究重點(diǎn)，除了通信算法的傳統(tǒng)技術(shù)路徑以外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法逐漸被人們所重視，但目前的高端算法掌握在GOOGLE、FACEBOOK等國(guó)際巨頭手中。

5   5G網(wǎng)絡(luò)安全

一是5G 網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)運(yùn)維的安全問題。5G 采用的是通用硬件臺(tái)帶來低可靠性問題，與5G 服務(wù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等的高可靠性相互沖突，需進(jìn)一步研究如何提高在通用硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)電信協(xié)議的可靠性。二是接入設(shè)備的雙重身份引發(fā)的安全問題。未來移動(dòng)接入設(shè)備( 例如智能手機(jī)) 可以臨時(shí)升級(jí)成為小基站，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積。但是這樣的設(shè)備角色切換，在安全層級(jí)上使得智能手機(jī)具有更高權(quán)限，而其他接入設(shè)備則需要通過該智能手機(jī)傳遞信息，由此可能引發(fā)信息泄露以及安全管理問題。三是超高密度用戶接入引發(fā)的安全問題。5G 網(wǎng)絡(luò)提供對(duì)與海量用戶訪問的支持，但是由于網(wǎng)絡(luò)中海量用戶的接入需求，服務(wù)器端可能也會(huì)接收到來自于海量用戶的安全認(rèn)證需求，這將可能面臨針對(duì)海量用戶加密方法、加密服務(wù)器性能以及新的感知網(wǎng)絡(luò)、人工智能病毒攻擊帶來的安全問題。