5G是未來科技真正落地的關鍵

張琦

5G移動通信技術是目前通信技術中的前沿科技，也是現在通信領域研究的重點方向，將帶來發展與應用的爆發式增長

近一年來，5G成為通信科技界的常用關鍵詞。作為2020年以后順應移動通信需求而發展起來的新一代移動通信系統，5G已經成為國內外移動通信領域的研究熱點。近日，廣東移動在國內率先于廣州大學城開通5G基站，并進行了5G外場測試。隨后，廣東聯通聯合廠商在深圳開通5G基站，也進行了外場測試。而在結束不久的2017世界移動大會上海展上，5G建設成為主題之一，眾多企業紛紛發布自己的戰略，展示階段性研發成果。

什么是5G

從信息通信技術發展與演進的軌跡分析，5G指的是第五代移動通信技術，是面向2020年之后的新一代移動通信系統，是2G、3G、4G數據技術進步的結果。

從1G到2G，移動通信技術完成了從模擬到數字的轉變，在語音業務基礎上，擴展支持低速數據業務。從2G到3G，數據傳輸能力得到顯著提升，峰值速率可達2Mbps以上，支持視頻電話等移動多媒體業務。4G的傳輸能力比3G又提升了一個數量級，峰值速率可達100Mbps-1Gbps。相對于4G技術，5G將以一種全新的網絡架構，提供峰值10Gbps以上的帶寬，用戶體驗速率可穩定在1Gbps-2Gbps。5G網絡擁有更強的性能，支持超高速率、超低時延、超大連接的應用場景。

5G究竟神在哪

與4G相比，5G到底有多快？中國信息通信研究院日前發布的《5G經濟社會影響白皮書》（以下簡稱《白皮書》）指出，5G網絡將達到至少10倍于4G的峰值速率。不過，高速僅僅是5G天賦的冰山一角?！栋灼分赋觯?G還具備毫秒級低時延和熱點容量高兩個“殺手級”特性。

1. 毫秒級低時延。這意味著不僅數據傳輸的上行、下行會更快，等待數據傳輸開始的響應時間也會大幅縮短。比如，當用戶在手機上觀看4K視頻時，卡頓也會明顯減少。

2. 熱點容量高。這將解決當前嚴重缺乏帶寬的難題。如今，3G和4G網絡上的無線頻率人滿為患，而5G容量高的特性讓生活在人員密集、流量需求大的區域用戶，也能享受到高速網絡。

3.開啟新頻帶資源。在此之前，毫米波只應用在衛星和雷達系統上，但現在已經有運營商開始使用毫米波在基站之間做測試。5G網絡基站是大量小型基站，功耗比現在大型基站低，基站的天線規模也會大增，形成陣列，提升移動網絡容量，發送更多信息。

4. 頻譜利用率高。在目前的科技水平條件下，高頻段無線電波利用率較低，穿透能力差，使用上有不少限制，而未來對頻譜的利用率提升，與光載無線組網、有線和無線寬帶技術的融合，能夠給5G通信技術帶來廣泛的應用前景。

5. 連續廣域覆蓋。這指的是能在偏遠山區、地下車庫、高速移動狀態下，以保證用戶的移動性和業務連續性為目標，為用戶提供高速業務體驗。換言之，就是信號覆蓋范圍更廣，網速更快，而且在目前4G網絡表現不是特別好的地下車庫或者高鐵等快速移動的場景能有比較流暢的體驗。

6. 低功耗大連接。5G能夠提供具備超千億網絡連接的支持能力，滿足100萬/平方千米連接數密度指標要求。這項功能主要面對面向智慧城市、環境監測、智能農業、森林防火等以傳感和數據采集為目標的應用場景，對于提升城市管理能力、政府公共服務、森林防火，以及更好地打擊犯罪維護社會秩序都有很大的積極意義。

如此多的特性，決定5G并非等于4G+1G。5G讓智能的萬物能夠互聯，實現了大規模機器間的相互通信。英特爾公司預計，到2020年，5G將會連接500億臺智能設備和77億人。

5G技術的發展與應用趨勢

與此前3G、4G發展時相對封閉、各自為政的情況不同，在5G的建設上，包括傳統運營商、系統設備商在內的相關企業越來越強調合作共建產業生態圈，而其背后，看重的正是新一代技術對社會變化的巨大推動力，對產業轉型升級的促進。

1.媒體類業務應用。在5G環境下，視頻類業務在移動性、用戶體驗、性能提升等方面將有新的發展。

（1）大視頻業務。4K超清業務需要50Mbit/s的穩定帶寬，平均40Mbit/s的4G網絡已無法滿足。5G技術的應用將帶來移動視頻點播、直播、視頻通話、視頻會議和視頻監控領域的飛速發展和用戶體驗質的飛躍。

（2）虛擬現實（VR）業務。虛擬現實技術為用戶提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同身臨其境一般。近年來，虛擬現實技術已成功應用于游戲、影視、直播、教育、工業仿真、醫療等領域。

主流虛擬現實設備分為連PC式頭盔和插手機式頭盔兩類，連PC式頭盔是目前的主流方向，主機完成運算和圖像渲染，通過HDM1線纜進行數據傳輸。主要面向具有深度游戲體驗需求的中高端用戶。5G較高的數據傳輸速率，低時延和較大的通信容量，將使用戶擺脫線纜的約束，盡情地享受虛擬現實游戲帶來的快樂。

插手機式頭盔定位為入門級虛擬現實產品，該種類型設備均價普遍較低，比較適合具有觀影與輕度游戲需求的用戶，是未來幾年市場普及的主流設備。智能手機感知用戶頭部位姿信息，負責高質量視頻渲染，功耗大，很難長時間使用，同時受制于智能手機的計算能力較弱，視頻質量不高，有很強的顆粒感且有一定的時延，體驗不佳。5G環境下，該類型的應用采用云端配合的架構，頭盔僅負責獲取用戶頭部位姿信息和顯示視頻，計算能力要求較高的視頻渲染放在云端進行，通過無線網絡將渲染好的視頻幀傳輸給頭盔進行顯示，用戶可獲得長時間的高質量視頻觀影體驗。

（3）增強現實（AR）業務。增強現實技術是在虛擬現實基礎上發展起來的一項技術，借助計算機圖形技術和可視化技術將虛擬對象準確疊加在物理世界中，呈現給用戶感知效果更豐富的新環境。通信技術的發展，移動智能終端處理能力的變強，移動傳感器設備的性能提升為在智能終端上增強現實業務的普及提供了基礎，為分層次打造個性化的信息服務提供了必要的支撐條件，也極大地促進移動互聯網在教育、游戲、購物、社交網絡、商業統計、旅游等業務的創新。

較好的用戶體驗對實時性提出了很高的要求，5G環境下，可以很好地解決查詢圖像以及虛擬信息傳輸帶來的網絡傳輸時間延長的問題，可以將跟蹤模塊和渲染模塊轉移到服務端或云端，無線網絡將渲染好的圖像傳遞給智能終端，不會讓用戶產生眩暈感，同時也解決了增強現實應用導致手機耗電高的問題。

2. 物聯網業務應用。5G技術是物聯網的標配，能夠提供低成本、低能耗、低時延、高可靠性的通信，以支持物聯網長時間、大規模的連接應用。5G將與工業設施、醫療器械、醫療儀器、交通工具等進行深度融合，全面實行萬物互聯，有效滿足工業、醫療、交通等垂直行業的信息化服務需要。

（1）智能汽車、交通運輸和基礎設施。交通行業主要有3個挑戰：一是出行效率，二是駕駛安全和聯網安全，三是可持續的能源消耗模式。有效應對方案是“萬物互聯+網絡協作+信息融合+智能分析”決策。在網絡本身連接之上，通過多源、異構信息的融合創造出更多的價值，服務于高效、安全的交通出行。

車聯網技術屬于低時延、高可靠應用場景，通過終端直通技術，可以實現在汽車之間、汽車與路側設備間的通信，從而實現汽車主動安全控制與自動駕駛。車聯網（vehicle to X，V2X）自主安全駕駛，在近乎完美的傳輸可靠性下可將時延縮小到毫秒級，還支持多種場景的防碰撞檢測與告警、車速導引、車車安全和交叉路口協同等。

當下4G網絡的支持可以做到部分無人駕駛（定速巡航、自動緊急剎車等），而5G在理論上可以支撐完全無人駕駛。因為更低的時延決定了駕駛系統能在更短的時間內對突發情況做出快速反應。例如，車速達到120千米/時，前后車的動作只有15毫秒的時差，要在這15毫秒內做出足夠快的響應，以4G約20毫秒的時延將會發生事故，而5G的時延是1毫秒，幾乎等于實時反應。

通過車與車（vehicle to vehicle，V2V）、車與路邊設備（vehicle to infrastructure，V2I）的通信，實現汽車的主動安全，比如緊急剎車的告警、汽車緊急避讓、紅綠燈緊急信號切換等。在未來，這些會成為汽車自動駕駛業務的關鍵技術。

（2）遠程設備的關鍵控制。未來，在諸如遠程礦山挖掘、礦山運輸等對安全有著極高要求的環境里或在危險、有害健康的環境里，5G網絡技術可以實現安全作業。有了5G技術，遠程醫療將不再是夢想，超短的時延使醫生能實施2000千米的遠程診療和順暢的異地遠程手術，偏遠地區的病患也能享受到優質醫療資源。

（3）人與物聯網的交互。騎自行車的人在經過十字路口或視線不太好的地方時，網絡會根據騎行人的位置、方向和周邊路況進行適配，判斷會不會有相撞的風險，通過頭盔的振動來提醒要注意車速、安全等。

3. CDN架構變化與智能運維。5G將帶來一個全連接、深融合、高智能的世界，全連接引發海量的數據處理，傳統的內容分發網絡（Content Delivery Network，CDN）架構如何滿足低時延的用戶體驗？如何對5G網絡業務進行數字化、智能化管理？

（1）從云計算到邊緣計算?，F在正在流行的云計算（cloud computing），是把大量數據放到“云”里計算或存儲。在5G時代，隨著物聯網的成長、越來越多高清視頻的消耗和越來越豐富業務的出現，對網絡的時延帶來很高的要求，單純依靠5G提高網絡性能、降低時延，很難滿足未來業務的要求，邊緣計算（edge computing）將是解決這一問題的重要途徑。

所謂邊緣計算，就是將應用、數據和服務從中心化模式的云計算移向了位于網絡末端、離用戶更近、更為分散的地方，而不是單獨依賴云端的服務器。萬物互聯的數據、高清的視頻數據被越來越多地在靠近網絡邊緣的地方進行存儲、處理、分析和執行。

（2）人工智能使得5G網絡更加智能。人工智能將成為5G時代的一項基礎支撐技術，能給5G網絡的自組網、故障修復、網絡管理、網絡規劃、網絡優化等帶來便利。人工智能、大數據挖掘分析等技術可以使無線網絡變得更方便、更智能。如在NFV平臺中嵌入AI監控模塊，便能夠自動監控網絡異常，并進行自動恢復，預計準確率超過90%，且效率是傳統監控方式的5倍。

中國引領5G技術發展的建議

縱覽全球，國際電信聯盟（ITU）已完成5G愿景研究，預計2020年前將完成標準制定。5G將解決多樣化應用場景下差異化性能指標帶來的挑戰。與此同時，伴隨5G網絡建設，5G新業務、新架構、新技術都會對安全和用戶隱私保護提出新的挑戰。未來5G安全將呈現多樣化場景，并在多種接入方式以及新型網絡架構的基礎上提供全方位的安全保障。

5G將于2020年正式商用，具體到中國，將經歷3個階段：一是技術研發試驗，目前已完成；二是技術方案驗證，目前已啟動，預計到2017年底完成；三是系統驗證，預計2017年中到2018年底結束。

值得一提的是，2016年11月，國際移動通信標準化組織（3GPP）最終確定了5GeMBB場景的信道編碼技術方案，其中，短碼的控制信道編碼方案采用了華為主推的Polar碼。此外，中國移動成功牽頭5G網絡系統架構的設計。

展望未來，要想在5G領域持續領跑的革命尚未成功，中國通信業仍需持續努力。在信息通信業最核心的技術領域，中國企業的原始創新能力還需進一步提高。在5G全球標準的研發推進中，中國需要貢獻更多的創新成果，在一些關鍵技術領域擁有更多的話語權，引領5G移動通信技術發展與應用，促進合作與共贏。

（作者單位為中興通訊股份有限公司）