5G通訊的技術(shù)現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

楊梓煜

摘要：在當(dāng)今社會(huì)中通訊技術(shù)是必不可少的一項(xiàng)重要科學(xué)技術(shù)。在這個(gè)高速發(fā)展的時(shí)代，5G通訊技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛，但同時(shí)也面臨著許多挑戰(zhàn)與機(jī)遇。本文首先梳理了不同時(shí)代的通信方法，并對(duì)通信科學(xué)的一些瓶頸進(jìn)行分析。然后論述了5G通信的關(guān)鍵技術(shù)，包括MIMO，稀疏多址，全雙工技術(shù)等。本文主要對(duì)5G所面對(duì)的難題進(jìn)行了詳細(xì)研究，并重點(diǎn)分析了頻段、頻譜、系統(tǒng)容量、成本和終端設(shè)備等多方面的問(wèn)題。為以后學(xué)者的進(jìn)一步研究提供了參考和基準(zhǔn)。

Abstract： Communication technology is an important and indispensable science and technology in today's society. And 5G communication technology is at the forefront. In this era of rapid development， 5G communication technology is more widely used， but it also faces many challenges and opportunities. Firstly， this paper combs the communication methods of different times， and analyses some bottlenecks of communication science. Then the key technologies of 5G communication are discussed， including MIMO， sparse multiple access， full duplex technology and so on. Unlike previous studies， this paper mainly studies the problems faced by 5G in detail， and focuses on the analysis of frequency band， spectrum， system capacity， cost and terminal equipment. It provides a reference and benchmark for the further research of scholars in the future. Furthermore， this paper looks forward to the revolutionary changes that 5G technology will bring to society， especially mobile Internet and Internet of Things， after breaking through the relevant bottlenecks.

關(guān)鍵詞：5G關(guān)鍵技術(shù);MIMO;稀疏多址;全雙工技術(shù);移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng);物聯(lián)網(wǎng)

Key words： 5G key technology;MIMO;sparse multiple access;full duplex technology;mobile internet;internet of things

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）25-0257-03

1? 5G的發(fā)展歷程

1.1 從1G到4G? 第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（1G）是模擬式通信系統(tǒng)[1]，模擬式是代表在無(wú)線傳輸采用模擬式的FN調(diào)制，將介于300Hz到3400Hz的語(yǔ)音轉(zhuǎn)換到高頻的載波頻率MHz上。但是因?yàn)槟M通信系統(tǒng)的眾多缺陷，經(jīng)常發(fā)生盜號(hào)和串號(hào)等現(xiàn)象。緊接著是2G通信[1-3]。2G相比較1G有著質(zhì)的飛躍，由模擬通信信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字通信信號(hào)，相比較于第一代通信，第二代通訊具備高度的保密性，提高了頻譜利用率，而且能夠提供多種業(yè)務(wù)。緊接著是3G時(shí)代的到來(lái)。由國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了3G通信的四種標(biāo)準(zhǔn)制式，分別是CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA以及WIMAX[4]。其中比較讓大家熟悉的就是CDMA——碼分多址技術(shù)。碼分多址是3G的技術(shù)基礎(chǔ)。2014年，4G終于在中國(guó)登陸。4G包括了TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，集3G與WLAN于一體，并且可以以100Mbps的理論下載速度與12.5Mbps的上傳速度進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、高質(zhì)量的音頻、視頻與圖片傳輸?shù)?。直到?dāng)今社會(huì)，4G依然是社會(huì)中移動(dòng)通訊的主流技術(shù)，在5G技術(shù)商業(yè)化之前，4G還將會(huì)占領(lǐng)一段時(shí)間的榜首[5]。

1.2 何為5G? 而5G通訊相比于它的前幾代有著很大的改變。在速度、穩(wěn)定性、峰值等方面有極大提升。作為4G通訊的下一代技術(shù)，5G將在三個(gè)維度上進(jìn)行同時(shí)提升：①通過(guò)引入新的無(wú)線傳輸技術(shù)將資源利用率在4G基礎(chǔ)上提高10倍以上;②通過(guò)引入新的體系結(jié)構(gòu)（例如超密集小區(qū)結(jié)構(gòu)等）和更加深度的智能化能力將整個(gè)系統(tǒng)吞吐率提高約25倍;③進(jìn)一步挖掘開(kāi)發(fā)新的頻率資源（如高頻段、毫米波與可見(jiàn)光等），使未來(lái)的無(wú)線移動(dòng)通信的頻率進(jìn)一步提升。5G的到來(lái)將移動(dòng)通訊的整體水平提高了一個(gè)等級(jí)，并且促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以其極具優(yōu)勢(shì)的傳輸速度來(lái)實(shí)現(xiàn)各種物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，以便于滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)的需要。但同時(shí)，5G也面對(duì)一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：當(dāng)新興技術(shù)來(lái)臨時(shí)，要保證速度與數(shù)量都大大增加的前提下，讓用戶(hù)的總費(fèi)用不僅不上升，反而要做到下降。這個(gè)則需要做到5G在單位流量的價(jià)格方面有著巨大的突破。傳輸速度提升所帶來(lái)的是用戶(hù)對(duì)流量等使用量的提高，在數(shù)量上升且價(jià)格下降的整體趨勢(shì)下，成本問(wèn)題注定將成為各大運(yùn)營(yíng)商上線5G的一大攔路虎[6]。

2? 5G的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 稀疏碼多址技術(shù)? 稀疏碼多址技術(shù)是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。這一技術(shù)能增加通訊頻段的復(fù)用量，使字符串在長(zhǎng)度沒(méi)有太大變化的情況下大大增加所含的信息量[7]。將信息進(jìn)行分層處理，例如在視頻通話方面做到聲音與畫(huà)面使用不同的通訊頻段來(lái)傳輸以達(dá)到提升速度與穩(wěn)定的目標(biāo)。未來(lái)的信息傳輸需求量將因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)的發(fā)展而大大增加，通過(guò)稀疏碼多址技術(shù)來(lái)提高頻譜復(fù)用量可以使單位字符串的利用率提升。

2.2 大規(guī)模MIMO技術(shù)? 傳統(tǒng)MIMO是通過(guò)發(fā)送端和接收端都配備多根天線來(lái)提高通信系統(tǒng)的容量、系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)速率以及傳輸可靠性[8]。但是傳統(tǒng)MIMO技術(shù)受限于移動(dòng)終端尺寸、功耗以及外觀的限制，想要進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的傳輸能力，最直觀的方法就是增加并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流個(gè)數(shù)或者增加基站天線端口數(shù)目。大規(guī)模MIMO技術(shù)，如圖1所示，是指基站配備一百到幾百根天線，在相同的視頻資源上同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶(hù)且移動(dòng)終端一般采用單天線接收的通信方式。規(guī)模增大了，天線密度過(guò)高、挨得太近容易使傳輸信道呈現(xiàn)相關(guān)性，也會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)頻污染。如何利用好大規(guī)模MIMO技術(shù)將會(huì)是一大難點(diǎn)[9]。手機(jī)已經(jīng)是現(xiàn)代人不可或缺的一種生活用品，更是有人視手機(jī)如生命。手機(jī)強(qiáng)大的功能性就是建立在移動(dòng)網(wǎng)路上的，只有連接了通訊網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)才能發(fā)揮它的功能。在未來(lái)50年內(nèi)，人類(lèi)對(duì)手機(jī)、對(duì)通訊的需求量將大大增加，而4G則無(wú)法勝任這一艱巨任務(wù)。5G運(yùn)用毫米波，將網(wǎng)絡(luò)通訊速度提高百倍甚至千倍以上。但毫米波也有非常明顯的缺陷：穿透能力弱。這使得5G信號(hào)不能進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。幸而解決方法也十分簡(jiǎn)單：縮減基站的體積，在城市各個(gè)角落中建立類(lèi)似路燈的微型基站，通過(guò)數(shù)量來(lái)彌補(bǔ)距離上的不足。

2.3 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)? 無(wú)線通信設(shè)備使用相同的時(shí)間、相同的頻率，同時(shí)發(fā)射和接收無(wú)線信號(hào)，使得無(wú)線通信鏈路的頻譜效率提高了一倍?，F(xiàn)在的通信一般使用半雙工通信或者單工通信。5G在這一方面上做出突破，大大提高了頻譜利用率將幾近枯竭的頻譜翻了一倍[10]。這項(xiàng)技術(shù)看上去簡(jiǎn)單，實(shí)則需要進(jìn)行數(shù)字干擾消除、射頻干擾消除和數(shù)字干擾消除。

3? 通訊技術(shù)所面對(duì)的問(wèn)題

相信所有人都經(jīng)歷過(guò)手機(jī)信號(hào)不好甚至沒(méi)有信號(hào)、移動(dòng)數(shù)據(jù)連接不穩(wěn)的情況。本文也對(duì)連接不穩(wěn)定的原因進(jìn)行了分析。

3.1 多卜勒效應(yīng)? 多卜勒效應(yīng)指的是由于目標(biāo)高速移動(dòng)，使得目標(biāo)速度與電磁波速度差減小。如圖2所示，在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高;在運(yùn)動(dòng)的波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低。由于頻率的改變，讓信號(hào)變得不穩(wěn)定，這就是多卜勒效應(yīng)。

3.2 地面干擾? 在市區(qū)有林立的樓房，樓房的鋼筋結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)通訊信號(hào)產(chǎn)生一定量的通訊屏蔽。在距離基站位置較遠(yuǎn)的區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)弱或是無(wú)信號(hào)的情況。5G通訊使用毫米波進(jìn)行通訊，本身具備穿透能力差的問(wèn)題，在市區(qū)中有不小的劣勢(shì)。增加基站數(shù)量是一個(gè)不錯(cuò)的解決思路，但是運(yùn)營(yíng)成本，包括維護(hù)等等，費(fèi)用也會(huì)大大增加。未來(lái)的趨勢(shì)是民眾通訊費(fèi)用的降低，而運(yùn)營(yíng)商的根本目的是盈利，在保持盈利的根本前提上，5G很多表面看上去很好解決的問(wèn)題就會(huì)浮出水面，變成棘手的難題。

3.3 網(wǎng)絡(luò)頻段與網(wǎng)速? 在5G的到來(lái)之前，大部分通訊頻段已經(jīng)被占用了。5G可以直接使用的通訊頻段遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他通訊如4G、3G等。在稀疏碼多址技術(shù)更進(jìn)一步之前，相近的頻段會(huì)有串線等嚴(yán)重的問(wèn)題。5G相較于4G來(lái)說(shuō)速度雖然有著質(zhì)的飛越，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，5G所連接的物品數(shù)量將會(huì)幾何增長(zhǎng)。比如5G的理論速度是4G的100倍，但是由于物聯(lián)網(wǎng)，需要進(jìn)行移動(dòng)溝通的物品數(shù)量增加到原來(lái)的200倍，那么5G通訊的速度優(yōu)勢(shì)可能會(huì)有所下降。

4? 5G面對(duì)挑戰(zhàn)

4.1 頻段數(shù)量不足? 頻段復(fù)用與低頻段重耕是解決頻段數(shù)量不夠的兩種比較直接的方式?，F(xiàn)在頻段利用率對(duì)于5G來(lái)說(shuō)還是有所缺陷。5G只能通過(guò)開(kāi)通新的頻段或者在峰期臨時(shí)借用一些特殊頻段來(lái)進(jìn)行解決，或是將不同的需求放到不同的頻段中去。比如在實(shí)時(shí)視頻通話中，將較為復(fù)雜的畫(huà)面信號(hào)用5G傳輸，而將較為簡(jiǎn)單的聲音信號(hào)用4G或別的路徑分離傳輸，在接收方處重組畫(huà)面。用如此方法就可以達(dá)到提升速度、減少頻段使用的目的。

4.2 頻譜效率和系統(tǒng)容量? 在未來(lái)的時(shí)間里，5G使用毫米波進(jìn)行通信已經(jīng)是板上釘釘?shù)氖虑榱薣11]。嚴(yán)格來(lái)講，毫米波的頻率為30GHz到300GHz，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別為10mm到1mm。在通信領(lǐng)域，24GHz到100GHz的波段稱(chēng)為5G毫米波。毫米波具有三大天然缺陷：信號(hào)衰耗大，易受阻擋，覆蓋距離短。與其他無(wú)線信號(hào)不同的是，毫米波在大氣中傳播主要受氧氣、濕度、霧和雨的影響[12]。毫米波不僅僅容易受到建筑物的阻擋，包括人體本身、甚至拿著手機(jī)的手都可以對(duì)毫米波進(jìn)行一定的阻擋。在不久的將來(lái)，通信業(yè)將會(huì)和氣象局等聯(lián)手，通過(guò)對(duì)降水量的統(tǒng)計(jì)，來(lái)計(jì)算出毫米波無(wú)線鏈路損耗，來(lái)確定毫米波的最大傳輸距離。關(guān)于遮擋方面，可以利用墻體反射或者其他反射裝置來(lái)繞過(guò)阻礙物。但是它也具有它的缺陷：功耗大、能效低、衰減大，影響傳輸速率，而且復(fù)雜的建筑環(huán)境會(huì)影響到反射裝置的部署。或者利用空間分集技術(shù)，在波束賦形過(guò)程中，沿著多個(gè)路徑，同時(shí)發(fā)送多個(gè)波束，來(lái)減輕非視距的衰減，提高連接的穩(wěn)定性。但這同樣也是非常復(fù)雜的方法[12]。

4.3 成本控制? 5G的另一大挑戰(zhàn)就是成本。在當(dāng)下時(shí)代，通信行業(yè)有幾項(xiàng)固定成本：前期的項(xiàng)目立項(xiàng)，設(shè)備招標(biāo)，設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用;組織施工，搬運(yùn)材料，房屋租賃、施工費(fèi)用;基站配套設(shè)施、設(shè)備，空調(diào)、UPS電池、傳輸線纜等。后期的電費(fèi)、設(shè)備維護(hù)成本以及基站測(cè)試及優(yōu)化的費(fèi)用。這些都是通信公司繞不過(guò)的費(fèi)用。如果還按照現(xiàn)在的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)5G進(jìn)行計(jì)費(fèi)，在網(wǎng)速提高百倍之后，也許一個(gè)眨眼間就是幾百M(fèi)B流量的消失。為了能使5G在市場(chǎng)上能夠占據(jù)更大的席位，價(jià)格方面相較于4G一定要有優(yōu)勢(shì)，起碼不能成為5G的短板。如何在使用量增加的情況下保證總價(jià)格的下降，是技術(shù)師們要克服的又一大難題。

4.4 終端設(shè)備的性能? 隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的興起，終端不斷向便攜式、智能化、多元化方向發(fā)展，未來(lái)聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量將呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的用戶(hù)長(zhǎng)尾化需求、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的用戶(hù)碎片化需求，將在終端設(shè)備形態(tài)上得到充分體現(xiàn)。對(duì)用戶(hù)而言，友好的用戶(hù)體驗(yàn)和應(yīng)用的多樣化成為服務(wù)類(lèi)終端的核心競(jìng)爭(zhēng)力。因此，要實(shí)現(xiàn)低成本多模終端的研發(fā)，對(duì)終端設(shè)備的芯片和工藝、射頻技術(shù)以及器件、電池壽命等技術(shù)研發(fā)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

電池是5G發(fā)展中硬件上最大的難點(diǎn)之一。5G通信所需的大量高新技術(shù)都需要建立在充足完備的硬件設(shè)施上。但是很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，科技在馬不停蹄地進(jìn)步，但是電池技術(shù)卻還是以一種極其緩慢的速度在發(fā)展，其電容量依舊與體積有著最大的關(guān)系。5G追求數(shù)量多，那么縮小體積就是其中必經(jīng)的一環(huán)。若是減小了體積，電池容量便也不可避免的減小了。當(dāng)高耗能遇到低容量，5G設(shè)備的續(xù)航便成為其一大問(wèn)題。

5? 總結(jié)與展望

5.1 5G之路? 5G在正式投入使用之前就已經(jīng)展現(xiàn)出了它的熱度與受歡迎的程度。從熱度很高的華為公司來(lái)看，它突破了美國(guó)的封鎖線，已經(jīng)往全球各地銷(xiāo)售達(dá)到4萬(wàn)個(gè)5G基站，包括瑞士，匈牙利等歐洲國(guó)家。在高速網(wǎng)絡(luò)信息傳遞的時(shí)代下，5G似乎有著無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。從4G到5G可以說(shuō)是一個(gè)質(zhì)的飛躍，在物聯(lián)網(wǎng)徹底成熟之后，人類(lèi)將突破單位個(gè)體控制物品總量的極限。

總體來(lái)看，如果5G可以突破上述瓶頸，那么可以極大地改善目前的通信條件。5G具有多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，包括：超高速場(chǎng)景，為未來(lái)移動(dòng)寬帶用戶(hù)提供高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入;支持大規(guī)模人群，為高人群密度地區(qū)或場(chǎng)合提供高質(zhì)量移動(dòng)寬帶體驗(yàn);隨時(shí)隨地最佳體驗(yàn)，確保用戶(hù)在移動(dòng)狀態(tài)仍享有高質(zhì)量服務(wù);超可靠的實(shí)時(shí)連接，確保新應(yīng)用和用戶(hù)實(shí)例在時(shí)延和可靠性方面符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn);無(wú)處不在的物物通信，確保高效處理多樣化的大量設(shè)備通信，包括機(jī)器類(lèi)設(shè)備和傳感器等。[14]

5.2 5G技術(shù)的展望——基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的描述? 在不久的將來(lái)，也許會(huì)有許許多多的新興職業(yè)伴隨著5G的出現(xiàn)而到來(lái)。就比如說(shuō)萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng)之后的農(nóng)場(chǎng)主，只需要坐在家里，便可以遙控農(nóng)場(chǎng)中的各個(gè)工具，達(dá)到一個(gè)人管理一個(gè)甚至更多的農(nóng)場(chǎng)。國(guó)際電聯(lián)將5G應(yīng)用場(chǎng)景劃分為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)兩大類(lèi)，除了支持移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，還將解決機(jī)器海量無(wú)線通信需求，極大促進(jìn)車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展[15-16]。就目前規(guī)劃來(lái)看，5G網(wǎng)絡(luò)不僅傳輸速率更高，而且在傳輸中呈現(xiàn)出低時(shí)延、高可靠、低功耗的特點(diǎn)，低功耗能更好地支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。所謂物聯(lián)網(wǎng)，就是“萬(wàn)物互聯(lián)”，所謂海量物聯(lián)網(wǎng)，指的是每平方公里至少有100萬(wàn)臺(tái)設(shè)備無(wú)時(shí)無(wú)刻不在連接。海量物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景大致包含以下部分：資產(chǎn)跟蹤、智能農(nóng)業(yè)、智慧城市、能源/公用事業(yè)監(jiān)控、實(shí)體基礎(chǔ)設(shè)施、智能家居、遠(yuǎn)程監(jiān)控、信標(biāo)和聯(lián)網(wǎng)購(gòu)物，如圖3所示。海量物聯(lián)網(wǎng)是5G相比于前幾代一個(gè)全新的應(yīng)用領(lǐng)域。在這些用例中，我們可以看到5G變革性的影響。

這樣的例子還有很多，物聯(lián)網(wǎng)會(huì)是一個(gè)全新的時(shí)代，當(dāng)全球完全物聯(lián)網(wǎng)化之后，也許真的會(huì)出現(xiàn)“地球村”，足不出戶(hù)便能完成一天的任務(wù)，隨意通過(guò)無(wú)人機(jī)和VR技術(shù)欣賞到世界各地的景象。不僅如此，未來(lái)醫(yī)生可以通過(guò)機(jī)械臂對(duì)距離較遠(yuǎn)的緊急病患進(jìn)行手術(shù)，它的視覺(jué)通信和操作通信都離不開(kāi)延遲在1ms以?xún)?nèi)的5G線路。隨著5G的普及與應(yīng)用市場(chǎng)的不斷發(fā)展，空間上的距離不再能夠限制人類(lèi)活動(dòng)，也可以大大提高虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系。

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