關(guān)于第五代移動(dòng)通信的研究

王娟

5G，是英文fifth-generation的縮寫(xiě)，指移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)第五代，也是4G的延伸。隨著第四代移動(dòng)通信技術(shù)的成熟化，第五代移動(dòng)通信早就開(kāi)始醞釀中。而在移動(dòng)行業(yè)里面，已經(jīng)基本確認(rèn)5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)在2020年正式商用，最早會(huì)在2018年的韓國(guó)冬季奧運(yùn)會(huì)率先亮相。現(xiàn)在我們來(lái)看一個(gè)例子，2018年7月8日，莫斯科盧日尼基體育場(chǎng)，俄羅斯世界杯決賽。你沒(méi)有在現(xiàn)場(chǎng)，你正在出差的列車(chē)上，拿著平板觀看在線直播。不過(guò)，你看起來(lái)不像在看直播，倒有點(diǎn)像在玩PS實(shí)況足球游戲。你用手指在屏幕隨意劃動(dòng)，直播畫(huà)面也隨著你的手指移動(dòng)而變化。這叫個(gè)性化體驗(yàn)體育賽事直播，只要?jiǎng)觿?dòng)手指頭，就可以享受從任意角度觀看比賽。傳統(tǒng)的直播畫(huà)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(dòng)。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(jìn)球了，你只能看到進(jìn)球功臣的狂歡，卻無(wú)法看到守方球員沮喪的表情。

有了這種個(gè)性化服務(wù)，要怎么觀看比賽，完全由你自己掌握。這是因?yàn)橘悎?chǎng)周?chē)惭b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(hào)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)從遙遠(yuǎn)的莫斯科瞬間傳送到你的平板上，完美體驗(yàn)絕對(duì)360度全方位無(wú)死角觀看比賽。這絕不是個(gè)人不切實(shí)際的幻想，事實(shí)上，我相信5G一定會(huì)爆發(fā)于某次國(guó)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(gè)爆發(fā)點(diǎn)可能是2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)，也可能會(huì)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(wèn)，不就是多安裝幾個(gè)攝像頭連接到網(wǎng)絡(luò)嗎？4G難道就不能實(shí)現(xiàn)嗎？為啥非要5G？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們首先應(yīng)該把關(guān)注點(diǎn)放在5G所能帶來(lái)哪些新的驚喜變化。

5G相比較4G，三個(gè)最明顯的提升特征分別是上下行速率提高、極低的延時(shí)和超大的網(wǎng)絡(luò)容量。網(wǎng)速的提升是必然的，它會(huì)比4G要快上百倍、千倍以上，這對(duì)于應(yīng)對(duì)未來(lái)龐大的數(shù)據(jù)吞吐量需求是很有必要的。舉個(gè)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(shí)間縮短到1分鐘以?xún)?nèi)。不過(guò)除了快，5G網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該擁有極低的延時(shí)，也就是響應(yīng)速度，同時(shí)也需要更大的網(wǎng)絡(luò)容量，能容納未來(lái)龐大的物聯(lián)網(wǎng)需求。

在大多數(shù)人眼中，5G表面來(lái)看就是網(wǎng)速將會(huì)比4G更加快，因此才會(huì)有資費(fèi)方面的擔(dān)心，實(shí)際5G的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只在網(wǎng)速，它所能應(yīng)用的場(chǎng)景和領(lǐng)域也是異常豐富。5G的變化在于：第一是增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶，它可以用于支持VR/AR等應(yīng)用體驗(yàn)；第二是海量物聯(lián)網(wǎng)（Massive IoT），它擴(kuò)展了物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模部署；第三是全新類(lèi)型的關(guān)鍵任務(wù)型服務(wù)，讓我們能通過(guò)可靠且可用的連接，在極低的時(shí)延下實(shí)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(yàn)。只有足夠先進(jìn)的無(wú)線連接，我們現(xiàn)在的VR/AR一體機(jī)才能改變他們的產(chǎn)品形態(tài)，令眼罩主機(jī)部分更加輕薄，同時(shí)去掉線材的束縛，把所有數(shù)據(jù)的處理都放在主機(jī)上。

很多人會(huì)問(wèn)，5G時(shí)代所采用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)是什么？5G時(shí)代與4G時(shí)代不一樣，5G NR將會(huì)成為一個(gè)全球標(biāo)準(zhǔn)，它同時(shí)也將支持美國(guó)沃達(dá)豐（Verizon）的5G固定寬帶部署，以及Korea Telecom在2018年韓國(guó)冬奧會(huì)上的5G部署。5G初期，依舊需要與4G LTE配合使用，多模對(duì)于5G是很重要的。在一個(gè)終端上需要集成對(duì)5G、4G、3G和WiFi的支持，因?yàn)?G布局初期是運(yùn)行在超高頻率上，也就是我們常說(shuō)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(dāng)然5G以后的發(fā)展趨勢(shì)會(huì)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(shí)也要支持6GHz以下的低頻段。

5G需要在不同的頻段部署，因?yàn)樗枰槍?duì)不同的應(yīng)用。在增強(qiáng)型的移動(dòng)寬帶，數(shù)據(jù)吞吐量的提升（網(wǎng)速的增強(qiáng)）、低時(shí)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(gè)問(wèn)題，能讓其把能量聚集一起實(shí)現(xiàn)連續(xù)并且具備移動(dòng)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(guò)利用基站中的大量天線來(lái)使用高頻段，這樣就可以集中能量傳輸給用戶(hù)，以在這些更高頻段上實(shí)現(xiàn)更好的覆蓋。舉例來(lái)說(shuō)，這里的基站上有24個(gè)天線，而終端上則有4個(gè)天線。這樣一來(lái)，每個(gè)用戶(hù)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(hù)也不例外。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，通過(guò)這些技術(shù)能有效解決毫米波高頻段的衰減問(wèn)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(yùn)行，推動(dòng)5G NR的標(biāo)準(zhǔn)化。

那么，是什么推動(dòng)了5G？？智能手機(jī)推動(dòng)了3G和4G網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，那么，誰(shuí)將是5G背后的最大推手呢？如同當(dāng)初誰(shuí)也沒(méi)有預(yù)料到智能手機(jī)如此之大的推動(dòng)力一樣，5G背后的最大推手也很難預(yù)測(cè)。不過(guò)，有一點(diǎn)可以肯定，5G網(wǎng)絡(luò)將無(wú)限延伸智能手機(jī)（或平板）到更復(fù)雜更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。比如，智能手機(jī)連接智慧家庭、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人或無(wú)人駕駛等，而這些應(yīng)用必將會(huì)在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。5G網(wǎng)絡(luò)真正意義上實(shí)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(wú)法預(yù)測(cè)誰(shuí)將是5G網(wǎng)絡(luò)的最大推手，但我們可以想象5G將會(huì)推動(dòng)什么？以時(shí)下熱門(mén)的可穿戴設(shè)備為例，設(shè)備體積太小，限制了其計(jì)算處理能力。如果依托于高速、低時(shí)延的5G網(wǎng)絡(luò)，可穿戴設(shè)備通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)連接到云服務(wù)系統(tǒng)，計(jì)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(jì)空間和應(yīng)用設(shè)計(jì)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(jìn)步，這樣的想象空間還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。摩爾定律告訴我們，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。受益于摩爾定律，5G時(shí)代將實(shí)現(xiàn)通信與計(jì)算技術(shù)前所未有的高度融合。再舉一個(gè)例子。無(wú)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(rèn)為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。事實(shí)上，4G也采用多天線技術(shù)，不過(guò)，多天線技術(shù)受限于手機(jī)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(lái)越多，價(jià)格越來(lái)越便宜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也就越來(lái)越容易。看看下面這張圖，16根天線已經(jīng)可以集成在5毫米內(nèi)了。

5G標(biāo)準(zhǔn)尚未正式確立，但是5G NR已經(jīng)基本可以看作是5G的標(biāo)準(zhǔn)化，而一些走在前面的運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)著手試驗(yàn)部署5G網(wǎng)絡(luò)，而2018年的韓國(guó)冬季奧運(yùn)會(huì)也會(huì)率先看到5G的應(yīng)用，而2020年估計(jì)會(huì)是5G大規(guī)模商用的時(shí)間。5G在數(shù)據(jù)吞吐量、延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)容量方面比較4G都是有明顯的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用的場(chǎng)景和領(lǐng)域?qū)?huì)更多元化，科技在發(fā)展，與其還在惆悵著網(wǎng)費(fèi)如何如何地貴，還不如興奮期待著未來(lái)5G帶給我們的美好變化。