5G相關技術研究及新進展

◆葉連金 黃河 呂建輝 江勇 高萍

5G相關技術研究及新進展

◆葉連金1黃河1呂建輝1江勇1高萍2

（1.清華大學深圳國際研究生院 廣東 518057；2.深圳市坪山區科技創新服務中心 廣東 518000）

本文介紹了5G中所采用的部分相關技術，涉及中興、華為、烽火等重要廠商，分析了現有5G技術的優勢與存在的問題。此外，文中也介紹了WiFi-6、星鏈、6G等，由此歸納新興通信技術所面對的機遇與挑戰。

5G；技術；研究；進展

1 引言

5G技術，即第五代移動通信技術，應用于三大場景，包括增強移動寬帶、超高可靠低時延通信和海量機器類通信。其性能目標是實現高數據速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模設備連接。5G技術的發展對生產生活的各領域帶來極大的方便，而各領域的需求同樣對5G建設提出了更具體的要求。由此，近些年5G相關技術不斷更新發展。其中，電信運營商成了5G的主要推動者和建設者，以應對5G商用帶來的傳統應用革新。系統集成商則成了通信網絡設備的集成主體，以應對全球電信投資的下滑的困境。

2 相關技術進展

我國各廠商在5G的技術研發上發揮了重要作用。中興通訊從2009年開始相關5G技術的研究，深度參與5G標準化進程，提出了新波形技術 FB-OFDM[1]，統一幀結構 UFS 和面向大連接的關鍵技術MUSA。2017年4月份在3GPP 中興通訊主導5GNR重量級核心項目NOMA立項成功。同年11月，中國移動聯合高通和中興通訊成功實現了全球首個基于3GPPR15標準的端到端5G新空口[2]系統互通。依托電信運營商，基于系統集成商的技術支持，有效地推動了5G技術的更新與應用。

作為全球第一大通信設備商，華為在5G發揮了重要作用。2018年年初，華為推出了首個基于3GPP毫米波的5GCPE芯片-Balong5G01，并率先推出了業內首個毫米波5GCPE。2018年6月，華為在北京懷柔率先完成了由IMT-2020（5G）推進組組織的中國5G技術研發試驗無線技術第二階段測試。同年10月，華為實現了基于3GPP的5G毫米波首次商用，也標志著基于3GPP的5G毫米波網絡與相關產業鏈已經成熟，全球5G毫米波的應用開始正式啟航。

此外，烽火使用自主知識產權的單模七芯光纖[3]作為傳輸介質，在國內首次實現560Tb/s超大容量波分復用及空分復用光傳輸系統實驗，達到了國際先進水平。其傳輸容量是日常用標準單模光纖傳輸系統最大容量的五倍，可以實現一根光纖上67.5億對人（135億人）同時通話。這一成果的誕生標志著我國在“超大容量、超長距離、超高速率”光通信系統研究領域邁向了新的臺階。

3 存在的問題

隨著5G的商用，其中存在的問題成了有待更新的技術要求。

（1）系統與技術融合有待加強。5G移動通信網絡集中了多種核心技術以完成各類業務，由此需要通過多種業務網絡、多種接入技術和多層次覆蓋的系統構建，來實現有機融合、綜合集成、高效利用。這就對系統和技術融合提出了更高的要求。例如，同一芯片無法同時滿足云端或者終端對通信的不同需求。

（2）容量和頻譜的效率有待提高。為實現傳播速度快，信息流量大、運作效率高，頻譜容量和系統頻率有了更高的要求，這就需要依靠先進技術手段對網絡系統進行優化升級以及加固站點數。然而，先進技術的應用以及系統復雜性的提高意味著開發成本更高和系統維護與操作難度更大。所以需要更深入研究如何提高空間效率、容量以及擴展頻率。

（3）移動終端有待升級。在5G網絡環境下，移動終端不僅面臨著升級射頻工藝、電池性能等方面的難題，也面臨著移動終端開發成本提高、市場競爭加劇的難題。

（4）能耗控制遭遇困境。由于5G使用了Massive MIMO技術，基站和手機的能耗增長，由此5G基站的部署帶來了能耗問題。另外，由于5G毫米波的輻射范圍較小，信號覆蓋所需基站數大幅增加，基站部署成本也隨之增加。因此，提高傳輸效率和降低通信能耗也是5G發展建設的難點之一。

4 相關前沿技術

傳輸需求推動著5G的研發，也同樣對其他網絡傳輸技術提出了革命性的要求。

（1）Wi-Fi 6

Wi-Fi 6即第六代無線網絡技術[4]，主要使用了OFDMA、MU-MIMO等技術，最高速率可達9.6Gbps。Wi-Fi 6中的一項新技術允許設備規劃與路由器的通信，減少了保持天線通電以傳輸和搜索信號所需的時間，這就意味著減少電池消耗并改善電池續航表現。Wi-Fi 6與5G具有一些相似之處，例如借助MU-MIMO技術實現高傳輸速率、支持更高的容量、需要額外的硬件支持等。但兩者的應用場景不同——Wi-Fi 6主要適用于家庭/公司等室內環境，而5G則是主要在戶外的移動網絡。二者的頻譜也有所不同，5G作為移動網絡依賴于獲得許可的頻譜，各運營商都有所不同，可在低、中、高三個不同的頻譜上運行。而Wi-Fi 6使用的是未授權頻譜，一般為雙頻2.4GHz與5GHz。另外，5G基站的覆蓋范圍遠大于單個Wi-Fi路由器鎖覆蓋的范圍。

（2）星鏈技術

星鏈是SpaceX的一個項目，該項目計劃在2019年到2024年間在太空搭建由約1.2萬顆衛星組成的星鏈網絡提供互聯網服務[5]，其中1584顆將部署在地球上空550千米處的近地軌道。該公司還準備再增加3萬顆，使衛星總量達到約4.2萬顆。星鏈與5G相比是兩種完全不同的網絡提供方式。不能在我們的手機或筆記本電腦上直接接收，它需要一個包含一組相控陣天線的大型接收機。相比之下，5G網絡更加便捷，只要部署好基站，移動設備在基站輻射范圍內便可以接收到信號。就目前情況而言，在手機中安裝相控陣天線難度較大。但一些大型工具上（如航母、飛機等）更易于安裝相控陣天線，如果他們使用星鏈的網絡，將會降低用網成本和提升速度。5G所針對的是密集型地區，而星鏈可以更好解決偏遠地區、山區、海島等缺少無線基站、電纜建設成本較高的地區。

（3）6G

6G，即第六代移動通信技術，主要為促進物聯網的發展，其仍在開發階段[6]。6G的傳輸能力預估可能比5G提升100倍，網絡延遲也可能從毫秒降到微秒級。除了進一步提升5G時代的應用（無人車、無人機、智能城市），6G可能還會孕育一些科幻應用，比如將人腦與計算機連接，觸摸控制系統也會大大增強，感應接口讓感官變得栩栩如生，難辨真假。從技術角度看，6G會給通信工程師帶來很大挑戰，比如材料科學、設備科學、低能耗電路、數據簡化技術、網絡技術、生物技術、通信協議。此外，最大的挑戰來源于如何管理開發工作，只有這樣，最終的網絡才會具有彈性，擁有很強的適應能力，可以為各種應用開發提供支持，最終讓異構網絡無縫共存。

5 結論

在我國政府的大力支持下，行業資本與技術廠商相輔相成，實現共建充滿活力的5G產業環境。其中，我國各廠商在5G的技術研發上發揮了重要作用，并取得突出成效。目前，我國的5G技術處于全球領先地位，產業生態正逐步完善。隨著5G的商用，其中存在的問題成了有待更新的技術要求，如系統與技術融合有待加強、容量和頻譜的效率有待提高、移動終端有待升級、能耗控制遭遇困境。而這些有待更新的技術要求又引領著5G技術的進一步發展。隨著5G的不斷更新迭代、進步發展，新的技術浪潮持續翻涌，推陳出新了諸如第六代無線網絡、星鏈、第六代移動通信等相關網絡傳輸技術。技術的發展帶來了革新競爭，但是正因為技術競爭，進一步推動了技術發展，最終改變人們的生活。作為通用網絡技術，5G將全面構筑經濟社會數字化轉型的關鍵基礎設施，與垂直行業的融合應用將孕育新興信息產品和服務，改變人們的生活方式，促進信息消費，并逐步滲透到經濟社會各行業各領域，重塑傳統產業發展模式，并拓展創新創業空間。

[1]王強. 5G移動通信系統中FB-OFDM多載波技術的研究[D].西安科技大學，2018.

[2]童偉，宋春鳳.基于3.5GHz頻段的5G新空口系統在海南環島高鐵的應用前景研究[J].數字通信世界，2020（02）：278+84.

[3]張軼涵. 七芯光纖傳感特性研究[D].北京郵電大學，2019.

[4]王斯薈.基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合的企業移動物聯專網方案研究[J].通信技術，2020，53（08）：1952-1958.

[5]章羅娜，李心蕊，趙書閣，高利春.“星鏈”星座建設成本及運營分析[J].國際太空，2020（11）：23-27.

[6]葛建華，李靖.對6G關鍵技術發展的思考[J/OL].中興通訊技術：1-9[2021-04-21].

本文得到深圳市南山區政務服務數據管理局項目支持（5G新技術應用研究服務，編號SZNSZS2020190-1）