關(guān)于第五代移動通信的研究

王娟

5G，是英文fifth-generation的縮寫，指移動電話系統(tǒng)第五代，也是4G的延伸。隨著第四代移動通信技術(shù)的成熟化，第五代移動通信早就開始醞釀中。而在移動行業(yè)里面，已經(jīng)基本確認5G網(wǎng)絡(luò)將會在2020年正式商用，最早會在2018年的韓國冬季奧運會率先亮相?，F(xiàn)在我們來看一個例子，2018年7月8日，莫斯科盧日尼基體育場，俄羅斯世界杯決賽。你沒有在現(xiàn)場，你正在出差的列車上，拿著平板觀看在線直播。不過，你看起來不像在看直播，倒有點像在玩PS實況足球游戲。你用手指在屏幕隨意劃動，直播畫面也隨著你的手指移動而變化。這叫個性化體驗體育賽事直播，只要動動手指頭，就可以享受從任意角度觀看比賽。傳統(tǒng)的直播畫面取決于單一的轉(zhuǎn)播鏡頭角度，屏幕這邊的觀眾非常被動。如果你喜歡的球星在比賽中狀態(tài)不好，你很少能看到他的身影。如果突然進球了，你只能看到進球功臣的狂歡，卻無法看到守方球員沮喪的表情。

有了這種個性化服務(wù)，要怎么觀看比賽，完全由你自己掌握。這是因為賽場周圍安裝了大量高清攝像頭，這些攝像頭統(tǒng)統(tǒng)連接到5G網(wǎng)絡(luò)，海量視頻信號通過5G網(wǎng)絡(luò)從遙遠的莫斯科瞬間傳送到你的平板上，完美體驗絕對360度全方位無死角觀看比賽。這絕不是個人不切實際的幻想，事實上，我相信5G一定會爆發(fā)于某次國際重大賽事，就像是一位年輕的新星，一戰(zhàn)成名于世界杯而聲名鵲起，這個爆發(fā)點可能是2020年東京奧運會，也可能會提前，比如2018年莫斯科世界杯......

那么什么是5G？你或許有這樣的疑問，不就是多安裝幾個攝像頭連接到網(wǎng)絡(luò)嗎？4G難道就不能實現(xiàn)嗎？為啥非要5G？要回答這個問題，我們首先應(yīng)該把關(guān)注點放在5G所能帶來哪些新的驚喜變化。

5G相比較4G，三個最明顯的提升特征分別是上下行速率提高、極低的延時和超大的網(wǎng)絡(luò)容量。網(wǎng)速的提升是必然的，它會比4G要快上百倍、千倍以上，這對于應(yīng)對未來龐大的數(shù)據(jù)吞吐量需求是很有必要的。舉個列子，以往你下載1部2GB大小的電影，4G網(wǎng)絡(luò)需要2分鐘，而5G網(wǎng)絡(luò)則是把時間縮短到1分鐘以內(nèi)。不過除了快，5G網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該擁有極低的延時，也就是響應(yīng)速度，同時也需要更大的網(wǎng)絡(luò)容量，能容納未來龐大的物聯(lián)網(wǎng)需求。

在大多數(shù)人眼中，5G表面來看就是網(wǎng)速將會比4G更加快，因此才會有資費方面的擔心，實際5G的變化遠遠不只在網(wǎng)速，它所能應(yīng)用的場景和領(lǐng)域也是異常豐富。5G的變化在于：第一是增強型移動寬帶，它可以用于支持VR/AR等應(yīng)用體驗；第二是海量物聯(lián)網(wǎng)（Massive IoT），它擴展了物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模部署；第三是全新類型的關(guān)鍵任務(wù)型服務(wù)，讓我們能通過可靠且可用的連接，在極低的時延下實現(xiàn)控制。這些功能都需要足夠的帶寬才能支撐他們流暢的工作，才能保證它們的基本體驗。只有足夠先進的無線連接，我們現(xiàn)在的VR/AR一體機才能改變他們的產(chǎn)品形態(tài)，令眼罩主機部分更加輕薄，同時去掉線材的束縛，把所有數(shù)據(jù)的處理都放在主機上。

很多人會問，5G時代所采用的網(wǎng)絡(luò)標準是什么？5G時代與4G時代不一樣，5G NR將會成為一個全球標準，它同時也將支持美國沃達豐（Verizon）的5G固定寬帶部署，以及Korea Telecom在2018年韓國冬奧會上的5G部署。5G初期，依舊需要與4G LTE配合使用，多模對于5G是很重要的。在一個終端上需要集成對5G、4G、3G和WiFi的支持，因為5G布局初期是運行在超高頻率上，也就是我們常說的毫米波頻段，所以其傳輸距離受限，廣域全覆蓋依舊需要4G和3G的支持。當然5G以后的發(fā)展趨勢會往高/低頻發(fā)展，5G基帶需要具備支持高頻段的毫米波，同時也要支持6GHz以下的低頻段。

5G需要在不同的頻段部署，因為它需要針對不同的應(yīng)用。在增強型的移動寬帶，數(shù)據(jù)吞吐量的提升（網(wǎng)速的增強）、低時延方面，可以在高頻段依靠毫米波獲得。我們知道高頻段毫米波是極度容易衰減的，為了解決這個問題，能讓其把能量聚集一起實現(xiàn)連續(xù)并且具備移動性的傳輸，采用更多的天線MIMO和波束成形和波束追蹤等技術(shù)。大規(guī)模MIMO通過利用基站中的大量天線來使用高頻段，這樣就可以集中能量傳輸給用戶，以在這些更高頻段上實現(xiàn)更好的覆蓋。舉例來說，這里的基站上有24個天線，而終端上則有4個天線。這樣一來，每個用戶都能獲得大概4倍左右的性能提升，即使是處在基站邊緣的用戶也不例外。簡單來說，通過這些技術(shù)能有效解決毫米波高頻段的衰減問題，令其擁有更大的網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸速度。在低頻段方面，需要依托現(xiàn)階段LTE的技術(shù)，在6GHz以下的低頻段運行，推動5G NR的標準化。

那么，是什么推動了5G？？智能手機推動了3G和4G網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，那么，誰將是5G背后的最大推手呢？如同當初誰也沒有預(yù)料到智能手機如此之大的推動力一樣，5G背后的最大推手也很難預(yù)測。不過，有一點可以肯定，5G網(wǎng)絡(luò)將無限延伸智能手機（或平板）到更復(fù)雜更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。比如，智能手機連接智慧家庭、無人機、機器人或無人駕駛等，而這些應(yīng)用必將會在5年內(nèi)實現(xiàn)。5G網(wǎng)絡(luò)真正意義上實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的可延展性、多功能性和高效性。盡管我們無法預(yù)測誰將是5G網(wǎng)絡(luò)的最大推手，但我們可以想象5G將會推動什么？以時下熱門的可穿戴設(shè)備為例，設(shè)備體積太小，限制了其計算處理能力。如果依托于高速、低時延的5G網(wǎng)絡(luò)，可穿戴設(shè)備通過5G網(wǎng)絡(luò)連接到云服務(wù)系統(tǒng)，計算處理功能在云端完成后，再回傳到可穿戴設(shè)備上，這為終端產(chǎn)品提供了極大的產(chǎn)品設(shè)計空間和應(yīng)用設(shè)計空間。也許，一塊智能手表只需要一塊顯示屏就夠了！隨著信息技術(shù)進步，這樣的想象空間還會進一步擴大。摩爾定律告訴我們，當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。受益于摩爾定律，5G時代將實現(xiàn)通信與計算技術(shù)前所未有的高度融合。再舉一個例子。無線通信理論上講，天線越多，頻譜效率和傳輸可靠性就越高。大規(guī)模MIMO技術(shù)（多天線技術(shù)）被公認為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。事實上，4G也采用多天線技術(shù)，不過，多天線技術(shù)受限于手機終端的大小和成本。但是，隨著集成電路上可容納的元器件越來越多，價格越來越便宜，實現(xiàn)起來也就越來越容易?？纯聪旅孢@張圖，16根天線已經(jīng)可以集成在5毫米內(nèi)了。

5G標準尚未正式確立，但是5G NR已經(jīng)基本可以看作是5G的標準化，而一些走在前面的運營商已經(jīng)著手試驗部署5G網(wǎng)絡(luò)，而2018年的韓國冬季奧運會也會率先看到5G的應(yīng)用，而2020年估計會是5G大規(guī)模商用的時間。5G在數(shù)據(jù)吞吐量、延時、網(wǎng)絡(luò)容量方面比較4G都是有明顯的優(yōu)勢，應(yīng)用的場景和領(lǐng)域?qū)嘣?，科技在發(fā)展，與其還在惆悵著網(wǎng)費如何如何地貴，還不如興奮期待著未來5G帶給我們的美好變化。