5G技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)分析

【摘要】根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟專家的預(yù)測(cè)，描述了5G時(shí)代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的新形態(tài)，從信息論基本原理得出了更大帶寬是5G提速的核心手段的結(jié)論，以此為起點(diǎn)推演出5G時(shí)代將采用的毫米波、微基站、大規(guī)模MIMO、波束賦形等技術(shù)，并對(duì)中國(guó)引領(lǐng)全球5G市場(chǎng)的前景進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】5G 毫米波 微基站 大規(guī)模MIMO 波束賦形

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2015.09.000 中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-1010(2015)09-0000-00

引用格式：張弛. 5G技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)分析[J].移動(dòng)通信, 2015,39(9): 00-00.

互聯(lián)網(wǎng)改變了世界，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)重新塑造了生活，“在家不能沒有網(wǎng)絡(luò)，出門不能忘帶手機(jī)”已成為很多人的共同感受。人們對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的要求是更高速、更便捷、更強(qiáng)大、更便宜，這種沒有止境的需求促使著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進(jìn)，技術(shù)體制的更新?lián)Q代也隨之越來(lái)越快。很多用戶剛剛踏入4G的門檻，按照國(guó)際電信聯(lián)盟關(guān)于2020年的規(guī)劃，5G時(shí)代很快就要來(lái)到了[1]。

1 5G時(shí)代的展望

4G雖然比3G更快，但現(xiàn)階段的速率提升不過10倍左右，應(yīng)用模式也沒有根本性的變化，其實(shí)并沒有給用戶帶來(lái)太深刻的感受。但是，5G的綜合性能將會(huì)比4G提升千倍[2]，在這種超高速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的支撐下，將會(huì)誕生出許多全新的應(yīng)用，會(huì)徹底改變移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)，那將是移動(dòng)通信的一場(chǎng)革命。

5G速率將高達(dá)10Gbps，由于速率極快，高清視頻即點(diǎn)即播，“緩沖等待”將成為歷史。遠(yuǎn)程互動(dòng)的3D虛擬現(xiàn)實(shí)游戲?qū)⑴d起，畫質(zhì)精美操控順暢，會(huì)帶給用戶身臨其境的全新感受。人均月流量大約有36TB，用戶不必?fù)?dān)心資費(fèi)問題，雖然流量增加了上千倍，但總體資費(fèi)并不會(huì)提高[3]。

5G的入網(wǎng)設(shè)備將會(huì)大幅度增加，“萬(wàn)物互聯(lián)”會(huì)成為5G的時(shí)代特征，鏡框、花盆、腰帶、冰箱、魚缸、飯碗、茶杯、沙發(fā)……所有能提供服務(wù)的設(shè)備都會(huì)入網(wǎng)，并可按需求進(jìn)行智能控制[4]。智能樓宇、智能家居、智能汽車、智能交通……智能移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將徹底改變你的生活方式。

健康領(lǐng)域也會(huì)發(fā)生革命性變化，手環(huán)將不再只是測(cè)心律血壓和跑步計(jì)數(shù)，而會(huì)成為身體健康指標(biāo)的全面監(jiān)控儀，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將會(huì)自動(dòng)上傳匯集，不僅可用于病情診斷，還可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)身體狀態(tài)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，提供精準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)建議。除了能進(jìn)行信息采集和處理外，手環(huán)還可以進(jìn)行介入式治療，甚至包括治療癌癥。

5G的最大特點(diǎn)并不是網(wǎng)速的進(jìn)步，而是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、大數(shù)據(jù)技術(shù)三者結(jié)合產(chǎn)生的爆炸效應(yīng)，這將是對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)的一次顛覆性革命。

2 5G的技術(shù)路線

5G的核心技術(shù)并沒有被國(guó)際電信機(jī)構(gòu)所確定，尚處在研究和探索階段，但移動(dòng)通信的發(fā)展有著內(nèi)在的規(guī)律性，其核心是以信息論為基礎(chǔ)的無(wú)線通信理論，從理論出發(fā)并結(jié)合需求進(jìn)行分析，并不難探尋出5G技術(shù)的發(fā)展方向。

高速是5G的首要特征，根據(jù)香農(nóng)的信道理論，提速最根本的方法就是增加帶寬，特別是成百上千倍的提速必須依賴更大的帶寬。提高頻率利用率雖然也是個(gè)辦法，但其潛力是很有限的，而伴隨著帶寬提高而帶來(lái)的等比例提速則是立竿見影的，大幅度增加帶寬才是提速的王道。

要大幅度增加帶寬則必須使用更高的頻段，4G的頻率在2GHz左右，5G頻率會(huì)更高。例如韓國(guó)積極推動(dòng)6GHz以上頻段為未來(lái)IMT頻段，開發(fā)高頻段系統(tǒng)[5]，俄羅斯專家甚至提出了80GHz頻段的設(shè)想[6]。

5G的頻譜范圍正處于討論之中，這是世界無(wú)電線大會(huì)（WRC）的議題，雖然具體的數(shù)據(jù)還沒有確定下來(lái)，但頻譜更高帶寬更大的趨勢(shì)是明確的。頻率高了則波長(zhǎng)變短，這就帶來(lái)了毫米波技術(shù)。

2.1 毫米波技術(shù)

毫米波常用在雷達(dá)和衛(wèi)星領(lǐng)域，一般不用于移動(dòng)通信領(lǐng)域，主要原因是隨著波長(zhǎng)變短，無(wú)線電波傳播的直線性會(huì)增強(qiáng)。例如軍隊(duì)使用的無(wú)線電接力通信就是毫米波，它并不支持“動(dòng)中通”，只能駐車后工作，而且必須精細(xì)調(diào)整天線的角度，使其電波的輻射方向正對(duì)著對(duì)方，否則就無(wú)法通信，直線傳播是毫米波通信必須解決的問題。

手機(jī)是移動(dòng)使用的，不能打電話時(shí)還舉著手機(jī)對(duì)準(zhǔn)基站的方向，雖然非正對(duì)方向也有信號(hào)，但強(qiáng)度會(huì)明顯衰弱，如果不做處理的話，使用體驗(yàn)就會(huì)下降。

毫米波的繞射和穿透也是問題，在基站信號(hào)不能直達(dá)的樓房陰影處和大樓內(nèi)部，信號(hào)就會(huì)非常微弱，這些問題都必須解決。

2.2 微基站技術(shù)

5G時(shí)代的入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量會(huì)呈爆炸性的增長(zhǎng)，單位面積內(nèi)的入網(wǎng)設(shè)備可能會(huì)增至千倍，若延續(xù)以往的宏基站覆蓋模式，即使基站的帶寬再大也無(wú)力支撐，再加上前述的穿透和繞射能力下降的原因，導(dǎo)致基站微型化的趨勢(shì)成為了必然。

基站微型化則設(shè)置密度加大，為避免基站之間的頻譜互擾，基站的輻射功率譜就會(huì)降低，這使得手機(jī)的遠(yuǎn)近效應(yīng)不再明顯，手機(jī)開機(jī)時(shí)的功率控制步驟會(huì)簡(jiǎn)化，而且手機(jī)的輻射功率也會(huì)降低，在相同能量的情況下待機(jī)時(shí)間會(huì)增加。

微基站數(shù)量大幅度增加后，傳統(tǒng)的鐵塔和樓頂架設(shè)方式將會(huì)擴(kuò)展，路燈桿、廣告燈箱、樓宇內(nèi)部的天花板，都將是微基站架設(shè)的理想地點(diǎn)[7]。

2.3 大規(guī)模MIMO

根據(jù)天線理論，天線長(zhǎng)度應(yīng)與波長(zhǎng)成正比，大約在1/10~1/4之間，當(dāng)前手機(jī)的天線長(zhǎng)線大約在幾厘米左右。而5G頻率在提升幾十倍后，相應(yīng)的手機(jī)天線長(zhǎng)度也會(huì)降低到以前的幾十分之一，會(huì)變成毫米級(jí)的微型天線。

多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個(gè)波長(zhǎng)以上，手機(jī)的面積很小，如果是傳統(tǒng)的幾厘米長(zhǎng)的天線，那多天線陣列是難以設(shè)置的。而隨著天線長(zhǎng)度的降低，特別是5G時(shí)代的毫米尺寸天線，給大規(guī)模MIMO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了可能。

以往的多天線技術(shù)更多地應(yīng)用在抗干擾通信方面，使用多部天線接收同一信號(hào)，利用不同路徑干擾的非相關(guān)性，在接收端進(jìn)行合并處理，通過提高信噪比的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)抗干擾通信。而手機(jī)多天線所接收信號(hào)的路徑差異性不大，干擾的非相關(guān)性也不強(qiáng)，因此不太會(huì)用于抗干擾方面，而是會(huì)用在提高傳輸速率方面。

大規(guī)模MIMO其實(shí)就是基站與手機(jī)之間有很多對(duì)的信道并行通信，每一對(duì)天線都獨(dú)立傳送一路信息，經(jīng)匯集后可成倍提高速率。5G更高頻率帶來(lái)天線尺寸縮短和更大帶寬帶來(lái)頻率復(fù)用，這兩點(diǎn)的變化為大規(guī)模MIMO的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提[8]。

2.4 波束賦形技術(shù)

中國(guó)主導(dǎo)的3G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA有六大技術(shù)特點(diǎn)，其中有一項(xiàng)就是智能天線，在基站上布設(shè)天線陣列，通過對(duì)射頻信號(hào)相位的控制，使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄，并指向它所提供服務(wù)的手機(jī)，而且能根據(jù)手機(jī)的移動(dòng)而轉(zhuǎn)變方向。

由全向的信號(hào)覆蓋變?yōu)榱司珳?zhǔn)指向性服務(wù)，這種新形式的無(wú)線電波束不會(huì)干擾到其它方向的波束，從而可以在相同的空間中提供更多的通信鏈路，這種充分利用空間的無(wú)線電波束技術(shù)是一種空間復(fù)用技術(shù)，這種技術(shù)可以極大地提高基站的服務(wù)容量[9]。

遺憾的是這項(xiàng)技術(shù)并沒在3G時(shí)代得到應(yīng)用，但在5G入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量成百上千倍增加的情況下，這種波束賦形技術(shù)所能帶來(lái)的容量增加就顯得非常有價(jià)值，波束賦形技術(shù)很可能成為5G的關(guān)鍵性技術(shù)之一[10]。

因?yàn)樾略隽艘苿?dòng)用戶位置的方向角參數(shù)，波束賦形技術(shù)不僅能大幅度增加容量，還可大幅度提高基站定位精度，并因此而擴(kuò)展出非常多的定位增值服務(wù)。

2.5 同時(shí)同頻全雙工

手機(jī)是典型的雙工通信設(shè)備，常用的有頻分、時(shí)分和碼分等信道復(fù)用方式，而同時(shí)同頻全雙工技術(shù)與這些傳統(tǒng)的方式都不同，它是通過對(duì)信號(hào)收發(fā)信號(hào)的處理，使得雙工通信建立在同時(shí)同頻的基礎(chǔ)上，理論上可以提高一倍的信道容量[11]。

前面已經(jīng)分析過，通過提高帶寬的方式可等比例地提高信道容量，是最直接最有效的提速方式，但這是用大量的帶寬資源換來(lái)的，在技術(shù)上并沒有創(chuàng)新。而通過對(duì)發(fā)射信號(hào)的抵消處理，可在相同頻率同時(shí)接收更加微弱的信號(hào)，雖然這種方式只能提速一倍，但卻是意義重大的原始創(chuàng)新。

同時(shí)同頻全雙工技術(shù)若要實(shí)用化，對(duì)發(fā)射信號(hào)的衰減要達(dá)到120dB，而現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室的記錄是90dB，這30dB的差距就是1 000倍的衰減量，而且越往后做難度就越大。這項(xiàng)技術(shù)雖然理論成立，但距離實(shí)用化還尚有距離，估計(jì)在5G時(shí)代前期應(yīng)用不上。但不可否認(rèn)的是，這是一項(xiàng)具有突破性的很有潛力的技術(shù)，非常值得研究和期待。

2.6 綜合分析

任何更新?lián)Q代的關(guān)鍵性技術(shù)，都必須經(jīng)歷過多年的研究，按規(guī)劃還有5年就要進(jìn)入5G時(shí)代了，不太可能突然出現(xiàn)一個(gè)全新的技術(shù)并被吸納在5G的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，考察5G的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)還得從成熟技術(shù)中尋找答案。

在傳統(tǒng)的宏基站大覆蓋的情況下提速是非常困難的，20%的頻譜利用率的提升都是了不起的成就，而在5G時(shí)代的千倍提速要求面前，這種內(nèi)部挖潛的方法是行不通的，只有通過大幅度的加大帶寬才有可能。

加大帶寬是起點(diǎn)，由此而產(chǎn)生的毫米波、微基站、大規(guī)模MIMO等都是順理成章的技術(shù)趨勢(shì)，只要把基站做得足夠小，其服務(wù)范圍變窄了，單個(gè)用戶獲得的資源就能足夠大，速度就可以提高到足夠快。

所以5G的任何一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都不會(huì)有革命性的突破，其上千倍綜合能力的提升，更多地是來(lái)自移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的重新布局

3 中國(guó)試圖引領(lǐng)世界

1997年4月，國(guó)際電信聯(lián)盟向世界各國(guó)發(fā)出征集函，征集第三代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)為了打破在國(guó)際電信標(biāo)準(zhǔn)上沒有話語(yǔ)權(quán)，只能做世界工廠的困局，遞交了TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過舉國(guó)的努力，最終被國(guó)際電信聯(lián)盟吸納為3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，實(shí)現(xiàn)了歷史性突破，從此走上了力爭(zhēng)主導(dǎo)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的道路。

進(jìn)入4G時(shí)代后，分別有LTEFDD和TD-LTE兩個(gè)國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)政府選定了TD-LTE，并早于LTE FDD一年發(fā)放了牌照，目的就是為了發(fā)揮相對(duì)優(yōu)勢(shì)，在引領(lǐng)國(guó)際電信業(yè)方面占據(jù)更大的主動(dòng)。如果不采取這種策略，而是在歐洲相對(duì)更有優(yōu)勢(shì)的LTE FDD標(biāo)準(zhǔn)后面跟跑，就會(huì)越追越追不上。

中國(guó)的電信業(yè)實(shí)力很強(qiáng)大，在全球四大電信設(shè)備商中中國(guó)企業(yè)就占了2家，華為第一中興第四，互聯(lián)網(wǎng)商也在飛速進(jìn)步，聯(lián)想、小米等實(shí)力不容小覷，同時(shí)中國(guó)還是全球第一大消費(fèi)市場(chǎng)。

掌控著全球最龐大的企業(yè)集團(tuán)和最巨大的消費(fèi)市場(chǎng)，這是中國(guó)政府具備的引領(lǐng)世界的硬實(shí)力，原來(lái)的TDD和FDD的份額之比是8:2，自從中國(guó)政府布局支持TD-LTE后，兩者的份額差距快速縮小。

2013年初，在政府部門的大力支持下，成立了面向5G移動(dòng)通信研究與發(fā)展的IMT-2020推進(jìn)組，明確了5G發(fā)展遠(yuǎn)景、業(yè)務(wù)、頻譜與技術(shù)需求，研究5G主要技術(shù)發(fā)展方向及使能技術(shù)，形成5G移動(dòng)通信技術(shù)框架，協(xié)同產(chǎn)學(xué)研用各方力量，積極融入國(guó)際5G發(fā)展進(jìn)程，為2015年后全面參與5G移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)[8]，中國(guó)是全球公認(rèn)的推進(jìn)5G最積極的國(guó)家之一。

中國(guó)在5G事業(yè)的提前布局，使之有望在未來(lái)的信息社會(huì)中更加深入地引領(lǐng)世界，而引領(lǐng)者會(huì)得到更多的市場(chǎng)回報(bào)，從而惠及到所有的本國(guó)公民，這個(gè)前景非常值得我們期待。

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