5G基本原理

胡亞軒　劉艷蓉

摘要：隨著中國科技的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了質(zhì)的飛躍，這極大的改善了人民的生活水平。自5G概念提出以來，備受全國人民關(guān)注，所以為了深入了解5G技術(shù)，我們進行了為期一周的“掀起5G熱潮，共享5G時代”的實踐活動。我們圍繞著5G技術(shù)的概念、5G技術(shù)的特點、5G技術(shù)的天線、5G技術(shù)的應(yīng)用以及社會對5G的了解層度展開了此次實踐活動。

關(guān)鍵詞：第五代移動通信技術(shù);5G特點;應(yīng)用;調(diào)查。

引言

在本次實踐中，我們對湖北省信產(chǎn)通信服務(wù)有限公司的經(jīng)理、參與5G天線建設(shè)的技術(shù)工作人員以及普通群眾進行了采訪調(diào)查。了解到不少實際問題情況和社會現(xiàn)實問題。并在工作人員的帶領(lǐng)下參觀并學習了5G機房的日常維護以及基站的基本原理，親身體驗到了5G的魅力，感受到了它對我們的作用之大。

一、5G

（一）5G概念

5G是指第五代移動通信技術(shù)，是最新一代的蜂窩移動通信技術(shù)，是4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系統(tǒng)后的延伸。5G的性能目標是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。

（二）5G的發(fā)展背景

近年來，第五代移動通信系統(tǒng)5G已經(jīng)成為通信業(yè)和學術(shù)界探討的熱點。5G的發(fā)展主要有兩個驅(qū)動力。一方面以長期演進技術(shù)為代表的第四代移動通信系統(tǒng)4G已全面商用，對下一代技術(shù)的討論提上日程;另一方面，移動數(shù)據(jù)的需求爆炸式增長，現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)難以滿足未來需求，急需研發(fā)新一代5G系統(tǒng)。

5G的發(fā)展也來自于對移動數(shù)據(jù)日益增長的需求。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備接入到移動網(wǎng)絡(luò)中，新的服務(wù)和應(yīng)用層出不窮，全球移動寬帶用戶在2018年有望達到90億，到2020年，預(yù)計移動通信網(wǎng)絡(luò)的容量需要在當前的網(wǎng)絡(luò)容量上增長1000倍。移動數(shù)據(jù)流量的暴漲將給網(wǎng)絡(luò)帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。

二、5G的特點

（一）高速度

5G最大的一個特點就是高速度，相比于4G網(wǎng)絡(luò)而言，5G有更高的速度，而對于5G基站峰值要求不低于20Gb/s。

（二）泛在網(wǎng)

泛在網(wǎng)有兩個層面的含義。一是廣泛覆蓋，一是縱深覆蓋。廣泛指的是我們生活的各個地方都需要廣泛覆蓋;縱深是指我們生活中，雖然已經(jīng)有網(wǎng)絡(luò)部署，但是需要進入更高品質(zhì)的深度覆蓋。

（三）低功耗

5G要支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，就必須要有功耗的要求。而5G就能把功耗降下來，讓大部分物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品一周充一次電，甚或一個月充一次電，就能大大改善用戶體驗。

（四）低時延

當5G應(yīng)用于無人駕駛汽車時，5G對時延的最低要求是1ms，甚至更低，這樣才能在駕駛過程中減少意外事故的發(fā)生。這就是要對網(wǎng)絡(luò)提出更嚴酷的要求。

（五）萬物互聯(lián)

在進入5G時代以后，除了手機、電腦等可以上網(wǎng)外，越來越多的智能家居設(shè)備、可穿戴設(shè)備等各種不同類型的設(shè)備均可接入互聯(lián)網(wǎng)。

三、5G天線建設(shè)

按照業(yè)界的定義，天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波變換成在無界媒中傳播的電磁波，或者進行相反的變換，也就是發(fā)射或接收電磁波。通俗點說，無論是基站還是移動終端，天線都是充當發(fā)射信號和接收信號的中間件。

5G技術(shù)最大的亮點之一便是高速率，相比于4G網(wǎng)絡(luò)而言，5G有更高的速度，而對于5G基站峰值要求不低于20Gb/s。而實現(xiàn)高速率的關(guān)鍵便是毫米波和波速成型技術(shù)。顯然，傳統(tǒng)天線無法完成這個要求。毫米波的波長較短，在Massive MIMO系統(tǒng)中可以在系統(tǒng)基站端實現(xiàn)大規(guī)模天線陣列的設(shè)計，從而使毫米波應(yīng)用結(jié)合在波速成形技術(shù)上，這樣可以有效提升天線的增益。但也是由于毫米波的波長較短，所以在毫米波通信中，傳輸信號以毫米波為載體時容易受到外界噪聲等因素的干擾和不同程度的衰減。毫米波由于其頻率高、波長短，具有如下特點：

（一）頻譜寬

配合各種多址復(fù)用技術(shù)的使用可以極大提升信道容量，適用于高速多媒體傳輸業(yè)務(wù);

（二）可靠性高

較高的頻率使其受干擾很少，能較好抵抗雨水天氣的影響，提供穩(wěn)定的傳輸信道;

（三）波長極短

所需的天線尺寸很小，易于在較小的空間內(nèi)集成大規(guī)模天線陣。

也正是上述的特點，使得毫米波在自由空間中傳播時具有很大的路徑損耗，而且反射之后的能量急劇衰減，導(dǎo)致毫米波通信主要是視距傳播和少量的一次反射的非視距傳播，導(dǎo)致其稀疏的信道特性。建成5G后，5G網(wǎng)絡(luò)強大的數(shù)據(jù)傳輸能力，極強的穩(wěn)定性以及大范圍的覆蓋率給大數(shù)據(jù)時代帶來了很多的好處，在部分建設(shè)好的地區(qū)可以時用戶體驗到10M/S 及以上的傳輸速率，通過網(wǎng)絡(luò)給社會發(fā)展與人們提供保障。

5G基站可以支持大規(guī)模天線陣列，可配置的天線數(shù)量甚至可以達到1024根。要充分發(fā)揮這些大規(guī)模天線陣列的潛力，5G的波束成形技術(shù)絕對必不可少。在空間傳播過程中，無線信號的質(zhì)量會出現(xiàn)衰減。這種被稱之為“路損”的衰減現(xiàn)象會對通信系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響。特別是對于毫米波段的5G通信系統(tǒng)，高達幾十dB的信號衰減可能會導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。在這種情況下，波束成形技術(shù)就可以大顯身手，有效對抗路損。研究人員在很久之前就已發(fā)現(xiàn)：多天線通信可以提高無線信號的傳輸質(zhì)量。波束成形技術(shù)通過調(diào)節(jié)各天線的相位使信號進行有效疊加，產(chǎn)生更強的信號增益來克服路損，從而為5G無線信號的傳輸質(zhì)量提供了強有力的保障。

四、5G應(yīng)用方面

按照5G的標準來看，5G的特點集中在三個方面，分別是增強移動帶寬、海量物聯(lián)和高可靠低延時。基于這三個特點，未來可以預(yù)見在5G時代，物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)應(yīng)用將得到全面的發(fā)展，而物聯(lián)網(wǎng)又是大數(shù)據(jù)和人工智能的重要基礎(chǔ)，所以在自動駕駛、智慧醫(yī)療和VR/AR等領(lǐng)域?qū)⒂芯薮蟮陌l(fā)展機會。

（一）自動駕駛

自動駕駛將在5G時代會有一個快速的發(fā)展期，在一些特定場景下，自動駕駛將會率先實現(xiàn)落地應(yīng)用，比如在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備自動駕駛具有較強的現(xiàn)實意義，一方面農(nóng)業(yè)機械的駕駛往往具有清晰的路線規(guī)劃，另一方面駕駛的強度也比較大，自動駕駛會在很大程度上降低農(nóng)業(yè)勞動者的工作強度。

（二）智慧醫(yī)療

5G在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也會具有較強的現(xiàn)實意義，比如醫(yī)生的遠程治療（手術(shù)等）對于網(wǎng)絡(luò)的要求會非常高，而5G完全可以滿足這樣的要求，所以未來遠程診療將成為一種常見的診療方式。

（三）VR/AR

VR/AR業(yè)務(wù)對帶寬的需求是巨大的。高質(zhì)量VR/AR內(nèi)容處理走向云端，滿足用戶日益增長的體驗要求的同時降低了設(shè)備價格，VR/AR將成為移動網(wǎng)絡(luò)最有潛力的大流量業(yè)務(wù)。雖然現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量可以達到100Mbps，但一些高階VR/AR應(yīng)用需要更高的速度和更低的延遲。5G的延遲減少了10倍，流量容量提高了100倍，網(wǎng)絡(luò)效率提高了100倍，5G可以解決這些問題，這對于大規(guī)模采用AR和VR至關(guān)重要。

在現(xiàn)代化社會中，經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展帶動了5G 技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。隨著通信技術(shù)的統(tǒng)一，芯片的高度集成化，和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)經(jīng)驗的積累，這些都大大的降低了網(wǎng)絡(luò)的“運營門檻”。競爭完全同質(zhì)化，通信行業(yè)歷史上前所未有的同質(zhì)化。對于社會公眾來說，一個淺顯的認識可能是網(wǎng)速的提升。其實，5G 最大的優(yōu)勢體現(xiàn)在通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品與物品之間的信息交換和通信。5G技術(shù)的正式商用，必將發(fā)展智能家居、智能穿戴、遠程醫(yī)療、智慧城市等。5G是通信技術(shù)的變革，更是一場端到端的跨行業(yè)革命。5G進程的加速，可以讓我們更快的迎來萬物互聯(lián)的新時代。

參考文獻：

[1] 劉俊明.5G目前都有哪些應(yīng)用.[C].2018

[2] 智東西.談波束成形技術(shù)：5G通信速度可以開始飛了！[C]。2017

作者簡介：

胡亞軒，女，漢族，湖北天門，大學本科，主要從事5G基本原理的調(diào)查研究

劉艷蓉，女，漢族，甘肅平?jīng)觯髮W本科，主要從事5G基本原理的調(diào)查研究

（作者單位：武漢東湖學院 電子信息工程學院）