淺談5G核心技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展難題

王 君，柯明爽，宋澤生，梁薇薇，陳夢圓，何新宇，楊子渝

（1.廣州南方學(xué)院，廣東 廣州510970；2.南昌大學(xué)，江西 南昌330036；3.重慶郵電大學(xué)，重慶400065；4.廣州恒通智聯(lián)科技有限公司，廣東 廣州510630）

隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，大量信息需要與之相匹配的處理速度，以進(jìn)行信息的快速交換。換而言之，5G解決了4G在數(shù)據(jù)處理方面所遺留問題[1]。面對海量數(shù)據(jù)處理，國家和社會對于數(shù)據(jù)處理速度便有了更高的要求，海量的數(shù)據(jù)處理需求促進(jìn)了移動通信技術(shù)版本的更迭。5G作為新技術(shù)，其具有“傳輸速率的提高、延遲的減小、可持續(xù)發(fā)展性、信息容量的增加以及大型連接設(shè)備數(shù)量上的增多”五大特性[2]。5G技術(shù)的優(yōu)勢在于，其與物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)進(jìn)行高度融合、是智慧型社會基礎(chǔ)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)等。由于融會貫通各項技術(shù)，這可使得重型機(jī)械和生活化設(shè)備完成自行優(yōu)化和迭代、完成供應(yīng)鏈與生產(chǎn)鏈的簡化和降低運(yùn)營維護(hù)的成本以及加固網(wǎng)絡(luò)安全性能[3]。

1 5G技術(shù)簡析

移動通信技術(shù)發(fā)展，從1G到4G，移動通信的核心旨在人與人之間的通信[4]。因為它不僅僅是應(yīng)用在個人與個人之間的簡單通信，同時還涵蓋了物體與物體、個人與物體之間的通訊和信息交換的應(yīng)用范圍。5G是第五代移動通信技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩瑐鬏斔俾实姆逯翟?0 Gbit/s，約比4G的速率快100倍[5]。從2013年以來，5G技術(shù)成為了各個國家和地區(qū)的研究熱點，各界的熱烈關(guān)注也使得通信技術(shù)不斷發(fā)展[6]。超負(fù)荷的移動數(shù)據(jù)量給當(dāng)今的移動通信網(wǎng)絡(luò)帶來了前所未有的難題，面對高能耗、稀少的頻譜資源和有限性的網(wǎng)絡(luò)容量等諸多困難。那么，新難題必將帶來移動通信技術(shù)的又一新版本，即5G技術(shù)，該技術(shù)的研發(fā)是為了高效的智能化管理各個網(wǎng)絡(luò)，提升其容量，簡化其操作，增強(qiáng)其舒適度[7]。

2 5G技術(shù)的核心技術(shù)

2.1 新的無線電頻率

新無線電是5G技術(shù)被3GPP所創(chuàng)建的新場景，其中有FP1和FR2這兩個不同容量的頻帶。當(dāng)頻率范圍小于6 GHz時，使用FR1。其最大帶寬達(dá)100 MHz，在此范圍內(nèi)，連續(xù)性頻譜是十分稀少的，而5G系統(tǒng)使用最頻繁的在3.5 GHz左右[7-8]。在韓國的移動通信運(yùn)營商戶中，就是運(yùn)用了該頻段，此外，其也分撥了FR2的頻譜。當(dāng)頻率范圍大于24 GHz時，使用FR2。其最小帶寬達(dá)50 MHz，最大達(dá)400 MHz，其雙信道復(fù)合使用是由3GPP R15所支持的。在此范圍內(nèi)，300 GHz的頻率允許5G技術(shù)使用，其隨著頻率的升高，抗其余信號干擾能力愈來愈強(qiáng)，因而5G技術(shù)每米可支持的移動通信設(shè)備多于4G技術(shù)近千臺。5G可以使用比4G更高的頻率，但因為這樣，5G信號則不能遠(yuǎn)距離傳輸。于是每隔幾百米就應(yīng)當(dāng)設(shè)置一個5G基站，促使信號傳播的有效性。此外，由于高頻電磁波的穿透性較差，這些高頻5G信號不能輕易穿透固體障礙，如墻壁、樹木、汽車等。

2.2 大規(guī)模MIMO陣列天線技術(shù)（多輸入多輸出）

大規(guī)模MIMO陣列天線技術(shù)，是多輸入多輸出技術(shù)之一。該技術(shù)運(yùn)用天線數(shù)量的增加，進(jìn)而擴(kuò)大扇區(qū)的吞吐量和容量密度。其天線是由嵌入式無線電的收發(fā)機(jī)器組成的，可進(jìn)行單獨調(diào)控。在世界上多個5G系統(tǒng)的技術(shù)性展演中，有90余個涉及了該項技術(shù)。該技術(shù)在圖像處理領(lǐng)域，使用云服務(wù)器的邊緣計算，可以減少數(shù)據(jù)擁堵和延遲等情況發(fā)生[10-11]。

2.3 小蜂窩基站和波束成形

小蜂窩基站是適用于在10 m～30 km內(nèi)的無線電頻譜范圍，也是一種功耗低的無線通信信號的接入點。其對于5G技術(shù)的意義重大，由于5G使用的頻率比4G高，因此，5G技術(shù)的無線電波只能實現(xiàn)近距離傳輸。而波束成形技術(shù)應(yīng)用了電波來指引用戶群體，其實現(xiàn)方式是天線陣列的排列組合，以完成某給定方位的信號得以正向輸出。此外，其他方位的信號將被破壞，因而實現(xiàn)高質(zhì)量的無線通訊信號和傳輸速率。4G中的長期演進(jìn)技術(shù)（LTE），結(jié)合了無線局域網(wǎng)技術(shù)（Wi-Fi）。長期演進(jìn)技術(shù)帶來了科技便利，其應(yīng)用范圍從蜂窩到局域網(wǎng)的聚合，再從單一化的硅設(shè)備到多種無線電信號傳輸技術(shù)共同發(fā)展。在此發(fā)展過程中，4G也從5G過渡，多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的聚合與發(fā)展為廣大人民群眾帶來了低成本、低功耗與高簡化。

2.4 NOMA（非正交多址接入技術(shù)）

NOMA（非正交多址接入技術(shù)），被稱為是面向未來發(fā)展的多址接入技術(shù)。其方便了數(shù)個用戶共同享有同一時間、頻率和擴(kuò)頻碼資源，其分配方式是功率分配。在該方式下的通信過程中，用戶均享有完整帶寬、低延遲和高傳輸速率的資源。在接入方式中，該技術(shù)應(yīng)用了電源域管理，當(dāng)面向不同的用戶時，選擇不一的功率級。

3 5G技術(shù)的應(yīng)用

3.1 高數(shù)據(jù)速率

如今，5G通信技術(shù)是高效率的象征。其傳輸速率遠(yuǎn)高于4G通信技術(shù)，其最高速率達(dá)10 Gbit/s，是4G技術(shù)的100多倍。其高效率象征著移動端的用戶在使用5G時，可實現(xiàn)在1 s內(nèi)完成一部原畫質(zhì)影片的下載。

3.2 減少延遲

信息從發(fā)送到接受所需的響應(yīng)時長，稱為延遲。5G最快可達(dá)1 ms，而4G的延遲約為30～70 ms。因此，5G的優(yōu)點在于延遲低。延遲低可實時為大型多人網(wǎng)絡(luò)互動類游戲、高精尖的外科手術(shù)、大型自動化機(jī)器等，提供比4G相比更快速、有效的處理。

3.3 可持續(xù)發(fā)展性

踏入工業(yè)化的地球，隨之而來的問題是化石能源的窮盡。因此，5G的可持續(xù)發(fā)展性成為研究的重要課題。5G不僅滿足快速處理用戶暴增的數(shù)據(jù)量，還做到了可持續(xù)化的綠色環(huán)保發(fā)展。當(dāng)中，通過加入新技術(shù)，來宏觀調(diào)控峰值，從根源上減少能源浪費，從而降低成本。

3.4 提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接

5G通信網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)絡(luò)容量作了巨大提升。預(yù)估至2022年，其網(wǎng)絡(luò)容量將是2020年的1 000倍。同時，隨著大型連接設(shè)備數(shù)量的增加，該技術(shù)可為更多移動端設(shè)備同時提供在線服務(wù)。在未來，5G的移動端將不止手機(jī)，其范圍可涵蓋各行各業(yè)的方方面面，形如道路中的電力驅(qū)動型車輛和無人駕駛汽車、生活中的智能家居的彩電、航天航空的空間站，以及其他各項公共服務(wù)中的多樣化的智能設(shè)施等。

4 5G技術(shù)發(fā)展面臨的難題

4.1 前期5G無線基站支出巨大

5G基站相比4G基站，其單價高、頻率高、帶寬大。因而5G技術(shù)對于傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求也更高。這導(dǎo)致5G基站的數(shù)量是4G的1.5～2倍，這是由于其設(shè)置距離更近。因此，在工程難度和選址難度上，新增5G基站的難度比4G大得多。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息數(shù)據(jù)網(wǎng)所示，目前，中國4G基站數(shù)量已超380萬個，投資額已達(dá)5 700億人民幣，工程限期約5年。而5G技術(shù)的全方位覆蓋需建立600萬余5G基站，投資額超2.3萬億人民幣，這是4G基站建設(shè)成本的4倍。

4.2 高頻信號衰減快

5G技術(shù)用的是高頻信號，其衰減較快。在城市群中，高密度的建筑對高頻信號的傳輸不僅有信號干擾，也有可能招致更差的傳輸效果。在通信速度不達(dá)預(yù)期，抑或大范圍的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量變差時，5G的信號傳輸效果和4G相同或更差的情況時有發(fā)生，特別是邊界地區(qū)的信號傳輸效果極其差。

4.3 供應(yīng)鏈全球化依賴嚴(yán)重

5G的供給鏈依賴于技術(shù)的全球化。從5G的開發(fā)到普及，其中牽涉芯片、智能手機(jī)研發(fā)和基站建設(shè)等。其中，芯片的依賴性比較嚴(yán)重，芯片主要包括研究、研發(fā)、制作等步驟。在高精尖設(shè)備上的芯片制作工藝上，需要不斷開發(fā)核心技術(shù)，尤其是一些精度要求極其高的器件，而不得不以技術(shù)全球化來實現(xiàn)加工。

5 結(jié)語

5G通信系統(tǒng)是龐雜的，它所建立的網(wǎng)絡(luò)，不但需要加快網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，還有大帶寬、低噪聲、高效率、高可靠性等要求。在5G通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，將全面推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，另外，5G技術(shù)對于二者相結(jié)合也有促進(jìn)作用，為用戶的出行和生活方式帶來新方式和新感受。5G技術(shù)是社會進(jìn)步的基石和世界貿(mào)易體系的粘合劑，必將會比4G發(fā)展更加蓬勃。