淺析5G 的現(xiàn)狀發(fā)展和前景趨勢(shì)

王 君 何新宇 蒲 磊 曹麟閣 梁文威 梁薇薇 張安航

（ 1、中山大學(xué)南方學(xué)院 電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東 廣州510970 2、重慶郵電大學(xué)，重慶400065 3、廣州恒通智聯(lián)科技有限公司，廣東 廣州510000）

隨著時(shí)代的發(fā)展， 大數(shù)據(jù)的時(shí)代來臨意味著當(dāng)代信息處理的革命化，與之而來的大量信息也需要相匹配的速度來處理，而以前的通信系統(tǒng)并不能滿足，所以隨之而來的5G 通信系統(tǒng)，以其“ 快”的特點(diǎn)被研究。 它是通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)的真正結(jié)合，也使得全球通信領(lǐng)域開始新一輪的技術(shù)競爭。

1 通信系統(tǒng)的歷代發(fā)展

隨著通信行業(yè)的長期變化， 通信系統(tǒng)已經(jīng)從第一代發(fā)展到第五代。第一代，稱之為1G 語音時(shí)代，是"移動(dòng)時(shí)代"，采用的技術(shù)是模擬通信系統(tǒng)。但由于工藝和成本的影響，普及度不高。第二代2G時(shí)代是“ 文本時(shí)代”。在這個(gè)時(shí)代，我們的交流不僅可以打電話，還可以發(fā)送信息。 第三代3G 時(shí)代也被稱為“ 圖片時(shí)代”。 這個(gè)時(shí)代實(shí)現(xiàn)了無線通信與互聯(lián)網(wǎng)的多媒體通信手段的結(jié)合， 通信不僅僅是打電話、發(fā)短信，還可以上網(wǎng)沖浪，傳輸數(shù)據(jù)信息。 第四代是我們現(xiàn)在使用的4G 通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，被稱為“ 視頻時(shí)代”。 它可以傳輸高質(zhì)量和高清晰度的視頻和圖像， 幾乎可以滿足用戶對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的所有需求，但是數(shù)據(jù)傳輸延遲長，出現(xiàn)卡頓延遲等現(xiàn)象。

2 5G 技術(shù)

2.1 5G 技術(shù)的背景

5G 的發(fā)展源于移動(dòng)數(shù)據(jù)需求的不斷增長。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)， 新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用層出不窮。 全球移動(dòng)寬帶用戶數(shù)量將會(huì)大量增長，數(shù)據(jù)流量的激增將給網(wǎng)絡(luò)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 首先，從目前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展來看，容量難以支撐上千倍的流量增長，網(wǎng)絡(luò)能耗和成本難以承受；另外，為了提高網(wǎng)絡(luò)容量，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行智能化利用高效，如對(duì)業(yè)務(wù)和用戶個(gè)性進(jìn)行智能優(yōu)化，但使容量卻不足；最后，未來的網(wǎng)絡(luò)必然會(huì)在數(shù)據(jù)量大的情況下變得復(fù)雜和復(fù)雜，為了提高網(wǎng)絡(luò)容量，必須對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高效的管理，提高用戶體驗(yàn)。 為了解決上述挑戰(zhàn)，滿足日益增長的移動(dòng)通信需求，有必要開發(fā)新一代5G 通信網(wǎng)絡(luò)。[2]

2.2 5G 的技術(shù)

所謂5G 技術(shù)，是多種新型無線接入技術(shù)與現(xiàn)有演進(jìn)技術(shù)融合后的通用解決方案，它是通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)的真正結(jié)合。 5G 提出的的新概念是毫米波，它開創(chuàng)了高頻智能時(shí)代。 在毫米波頻段中，頻道帶寬和傳輸速率可以提升數(shù)倍，4G 時(shí)代，人們可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)才能下載藍(lán)光電影，而在5G 技術(shù)中，可以在幾秒鐘內(nèi)完成[1]。 5G 的另一個(gè)重要技術(shù)是大規(guī)模MIMO 的增強(qiáng)版本，MOMO 傳輸與天線有關(guān)，頻率越高，天線越短。 天線如果越短的話，手機(jī)中的物理存儲(chǔ)空間就越大，就可放更多的天線了，存儲(chǔ)空間越大能放的天線也越多，消息傳遞的質(zhì)量也會(huì)更好。

2.3 5G 的優(yōu)勢(shì)

5G 和之前歷代的通信系統(tǒng)相比，使用新的技術(shù)而有了以下的主要優(yōu)勢(shì)：

2.3.1 5G 的數(shù)據(jù)傳輸速率快。 5G 的傳輸速率高達(dá)10Gbit/s，快于目前的有線互聯(lián)網(wǎng)，相比以前的4G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)快達(dá)100 倍，幾乎可以達(dá)到在一分鐘內(nèi)下載一部高清電影，5G 大帶寬傳輸容量，即使觀看4K 高清視頻、全景視頻和虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)等，也不會(huì)有連接失敗的情況。

2.3.2 5G 另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是更低的網(wǎng)絡(luò)延遲。 5G 達(dá)到小于1 毫秒的響應(yīng)時(shí)間，而4G 是30-70 毫秒。 更低的延遲可以幫助提供讓我們做新事情的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，比如多人互動(dòng)游戲、實(shí)時(shí)手術(shù)、工廠機(jī)器人、自動(dòng)駕駛汽車等等其他需要快速響應(yīng)的任務(wù)。

2.3.3 5G 可以促進(jìn)節(jié)省能源。 隨著各類能源業(yè)務(wù)的快速增長，電網(wǎng)設(shè)備、 電力終端和用戶迫切需要通過最新的通信技術(shù)和系統(tǒng)支持來滿足通信需求的爆炸式增長。更快的無線5G 服務(wù)將使能源網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)通信，以了解使用情況，預(yù)測能源峰值，支持負(fù)荷平衡，避免浪費(fèi)，改善能源分配，并最終降低能源成本?？稍偕茉础㈦妱?dòng)汽車、電網(wǎng)通信、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)⒊蔀?G 在能源行業(yè)的關(guān)鍵應(yīng)用場景。

2.3.4 5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)傳輸更穩(wěn)定。 5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)能夠在不同的場景下進(jìn)行穩(wěn)定的傳輸，因此，5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中非常實(shí)用，提高了傳輸?shù)姆€(wěn)定性，降低了工作難度。 在使用5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)工作時(shí)， 由于5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的傳輸能力具有很高的穩(wěn)定性， 不會(huì)因工作環(huán)境的復(fù)雜場景而導(dǎo)致傳輸時(shí)間過長或傳輸不穩(wěn)定，將大大提高工作效率。[3]

2.4 5G 面臨的問題

雖然5G 有著各種各樣的優(yōu)勢(shì)， 但這不代表5G 的發(fā)展是全面的，他也面領(lǐng)著以下的問題：

2.4.1 基站的選址

5G 使用毫米波，需要幾百倍的基站數(shù)量。 5G 的運(yùn)行頻率比以前的無線標(biāo)準(zhǔn)高得多，而當(dāng)達(dá)到毫米波時(shí)，卻幾乎不能覆蓋房間。信號(hào)的不可預(yù)測性以及它們能傳輸多遠(yuǎn)都是很大的問題， 所以必須建設(shè)數(shù)量更多的中繼器和小基站單元。

2.4.2 建設(shè)運(yùn)營投資額巨大

5G 建設(shè)的投資金額是巨大的。 不僅有宏站投資，5G 發(fā)展還涉及大量小微基站、光傳輸、核心網(wǎng)、多接入邊緣計(jì)算等投入。 預(yù)計(jì)中國5G 投資周期十年，總投資金額1.6 萬億。 同時(shí)5G 運(yùn)營投資額也將是巨大的。另外，5G 基站數(shù)量增加，尤其是小微基站數(shù)量將激增，站址費(fèi)用越來越高，光纖量也將激增。 這么多的中繼器和小基站單元導(dǎo)致站點(diǎn)租賃成為運(yùn)營商的財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)問題， 運(yùn)營商公司將不得不投入更多的資金

2.4.3 供應(yīng)鏈全球化依賴

5G 供應(yīng)鏈全球化態(tài)勢(shì)明確。 5G 的建設(shè)到普及涉及到大量設(shè)備，主要包括芯片、智能手機(jī)和基站。芯片主要涉及設(shè)計(jì)、材料、制造等環(huán)節(jié)。 我國部分專用芯片的研究正在快速追趕，如機(jī)頂盒芯片、監(jiān)控器芯片等，通信設(shè)備芯片，如核心路由器自主芯片。 但是高端智能手機(jī)、汽車、工業(yè)以及其它嵌入式芯片市場，中國差距依然很大。 像是處理器和存儲(chǔ)器等高端通用芯片與國外先進(jìn)水平差距更是巨大。 而智能手機(jī)方面，國內(nèi)主要負(fù)責(zé)“ 拼裝”，類似富士康、偉創(chuàng)力、比亞達(dá)等公司，都是負(fù)責(zé)代加工，并不掌握其核心技術(shù)，主要的高端技術(shù)，如芯片、內(nèi)存、操作系統(tǒng)等，仍然掌握在歐美和日韓廠商的企業(yè)手上。 而基站供應(yīng)鏈方面，涉及器件眾多，對(duì)進(jìn)口器件依賴程度較高，尤其一些器件暫時(shí)難以找到較好的替代。

2.5 5G 發(fā)展前景

2.5.1 5G 網(wǎng)絡(luò)有著“ 高速率，低時(shí)延”的特性，再與人工智能、大數(shù)據(jù)、 云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)融合， 使得全球有一場科技的革命和換代。 比如無人駕駛的場景：無人駕駛車接送，不用看路也能開汽車等等，在高速率、低延時(shí)的優(yōu)勢(shì)配合大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)，提前預(yù)判、規(guī)劃、決策，幫助汽車感知環(huán)境的復(fù)雜，并作出正確決策。

2.5.2 5G 與衛(wèi)星融合，型成全域覆蓋。 依賴衛(wèi)星系統(tǒng)和5G 系統(tǒng)融合構(gòu)建一體化網(wǎng)絡(luò)，型成網(wǎng)絡(luò)全域覆蓋。 使得信息全球化范圍更廣泛、更迅速。

2.5.3 5G 使得人類邁向智能網(wǎng)絡(luò)。 人類采用智能化技術(shù)不斷增加對(duì)網(wǎng)絡(luò)的智能處理，從而達(dá)到更好的運(yùn)維管理，向智能網(wǎng)絡(luò)管理邁進(jìn)。 比如可以幫助制造業(yè)的生產(chǎn)鏈變得更加靈活，通過5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，監(jiān)控和重新配置機(jī)器人，使得機(jī)械和設(shè)備通過自我優(yōu)化，簡化生產(chǎn)、供應(yīng)鏈物流等流程，提高安全性并降低維護(hù)成本，使制造業(yè)能夠增強(qiáng)利用自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)“ 智能工廠”。

結(jié)束語

5G 通信系統(tǒng)的發(fā)展是全球移動(dòng)通信領(lǐng)域新一輪技術(shù)競爭的開始。5G 技術(shù)與未來物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)緊密相關(guān)，蘊(yùn)含著巨大的經(jīng)濟(jì)效益，各國都力爭在未來5G 技術(shù)業(yè)務(wù)中取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。 如今，我國5G 技術(shù)已經(jīng)取得突破，5G 關(guān)鍵技術(shù)也逐步明晰。5G 將以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供大帶寬、毫秒延遲和超高密度連接的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的新飛躍，開啟萬物互聯(lián)、無限遐想的新時(shí)代。 未來5G 將深入社會(huì)各領(lǐng)域，構(gòu)建以用戶為中心的綜合信息生態(tài)系統(tǒng)。5G 將帶給用戶身臨其境的信息感受，提供卓越的互動(dòng)體驗(yàn)，改變?nèi)藗兊纳詈蜕a(chǎn)方式。