5G相關(guān)技術(shù)研究及新進(jìn)展

◆葉連金 黃河 呂建輝 江勇 高萍

5G相關(guān)技術(shù)研究及新進(jìn)展

◆葉連金1黃河1呂建輝1江勇1高萍2

（1.清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院 廣東 518057；2.深圳市坪山區(qū)科技創(chuàng)新服務(wù)中心 廣東 518000）

本文介紹了5G中所采用的部分相關(guān)技術(shù)，涉及中興、華為、烽火等重要廠商，分析了現(xiàn)有5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與存在的問(wèn)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(shù)所面對(duì)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

5G；技術(shù)；研究；進(jìn)展

1 引言

5G技術(shù)，即第五代移動(dòng)通信技術(shù)，應(yīng)用于三大場(chǎng)景，包括增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、超高可靠低時(shí)延通信和海量機(jī)器類通信。其性能目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)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。5G技術(shù)的發(fā)展對(duì)生產(chǎn)生活的各領(lǐng)域帶來(lái)極大的方便，而各領(lǐng)域的需求同樣對(duì)5G建設(shè)提出了更具體的要求。由此，近些年5G相關(guān)技術(shù)不斷更新發(fā)展。其中，電信運(yùn)營(yíng)商成了5G的主要推動(dòng)者和建設(shè)者，以應(yīng)對(duì)5G商用帶來(lái)的傳統(tǒng)應(yīng)用革新。系統(tǒng)集成商則成了通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集成主體，以應(yīng)對(duì)全球電信投資的下滑的困境。

2 相關(guān)技術(shù)進(jìn)展

我國(guó)各廠商在5G的技術(shù)研發(fā)上發(fā)揮了重要作用。中興通訊從2009年開(kāi)始相關(guān)5G技術(shù)的研究，深度參與5G標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，提出了新波形技術(shù) FB-OFDM[1]，統(tǒng)一幀結(jié)構(gòu) UFS 和面向大連接的關(guān)鍵技術(shù)MUSA。2017年4月份在3GPP 中興通訊主導(dǎo)5GNR重量級(jí)核心項(xiàng)目NOMA立項(xiàng)成功。同年11月，中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合高通和中興通訊成功實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)基于3GPPR15標(biāo)準(zhǔn)的端到端5G新空口[2]系統(tǒng)互通。依托電信運(yùn)營(yíng)商，基于系統(tǒng)集成商的技術(shù)支持，有效地推動(dòng)了5G技術(shù)的更新與應(yīng)用。

作為全球第一大通信設(shè)備商，華為在5G發(fā)揮了重要作用。2018年年初，華為推出了首個(gè)基于3GPP毫米波的5GCPE芯片-Balong5G01，并率先推出了業(yè)內(nèi)首個(gè)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(jìn)組組織的中國(guó)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)無(wú)線技術(shù)第二階段測(cè)試。同年10月，華為實(shí)現(xiàn)了基于3GPP的5G毫米波首次商用，也標(biāo)志著基于3GPP的5G毫米波網(wǎng)絡(luò)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)成熟，全球5G毫米波的應(yīng)用開(kāi)始正式啟航。

此外，烽火使用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單模七芯光纖[3]作為傳輸介質(zhì)，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)560Tb/s超大容量波分復(fù)用及空分復(fù)用光傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。其傳輸容量是日常用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸系統(tǒng)最大容量的五倍，可以實(shí)現(xiàn)一根光纖上67.5億對(duì)人（135億人）同時(shí)通話。這一成果的誕生標(biāo)志著我國(guó)在“超大容量、超長(zhǎng)距離、超高速率”光通信系統(tǒng)研究領(lǐng)域邁向了新的臺(tái)階。

3 存在的問(wèn)題

隨著5G的商用，其中存在的問(wèn)題成了有待更新的技術(shù)要求。

（1）系統(tǒng)與技術(shù)融合有待加強(qiáng)。5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)集中了多種核心技術(shù)以完成各類業(yè)務(wù)，由此需要通過(guò)多種業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)、多種接入技術(shù)和多層次覆蓋的系統(tǒng)構(gòu)建，來(lái)實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合、綜合集成、高效利用。這就對(duì)系統(tǒng)和技術(shù)融合提出了更高的要求。例如，同一芯片無(wú)法同時(shí)滿足云端或者終端對(duì)通信的不同需求。

（2）容量和頻譜的效率有待提高。為實(shí)現(xiàn)傳播速度快，信息流量大、運(yùn)作效率高，頻譜容量和系統(tǒng)頻率有了更高的要求，這就需要依靠先進(jìn)技術(shù)手段對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)以及加固站點(diǎn)數(shù)。然而，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用以及系統(tǒng)復(fù)雜性的提高意味著開(kāi)發(fā)成本更高和系統(tǒng)維護(hù)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(kuò)展頻率。

（3）移動(dòng)終端有待升級(jí)。在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，移動(dòng)終端不僅面臨著升級(jí)射頻工藝、電池性能等方面的難題，也面臨著移動(dòng)終端開(kāi)發(fā)成本提高、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇的難題。

（4）能耗控制遭遇困境。由于5G使用了Massive MIMO技術(shù)，基站和手機(jī)的能耗增長(zhǎng)，由此5G基站的部署帶來(lái)了能耗問(wèn)題。另外，由于5G毫米波的輻射范圍較小，信號(hào)覆蓋所需基站數(shù)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(fā)展建設(shè)的難點(diǎn)之一。

4 相關(guān)前沿技術(shù)

傳輸需求推動(dòng)著5G的研發(fā)，也同樣對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)提出了革命性的要求。

（1）Wi-Fi 6

Wi-Fi 6即第六代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4]，主要使用了OFDMA、MU-MIMO等技術(shù)，最高速率可達(dá)9.6Gbps。Wi-Fi 6中的一項(xiàng)新技術(shù)允許設(shè)備規(guī)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(hào)所需的時(shí)間，這就意味著減少電池消耗并改善電池續(xù)航表現(xiàn)。Wi-Fi 6與5G具有一些相似之處，例如借助MU-MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(yīng)用場(chǎng)景不同——Wi-Fi 6主要適用于家庭/公司等室內(nèi)環(huán)境，而5G則是主要在戶外的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。二者的頻譜也有所不同，5G作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)依賴于獲得許可的頻譜，各運(yùn)營(yíng)商都有所不同，可在低、中、高三個(gè)不同的頻譜上運(yùn)行。而Wi-Fi 6使用的是未授權(quán)頻譜，一般為雙頻2.4GHz與5GHz。另外，5G基站的覆蓋范圍遠(yuǎn)大于單個(gè)Wi-Fi路由器鎖覆蓋的范圍。

（2）星鏈技術(shù)

星鏈?zhǔn)荢paceX的一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目計(jì)劃在2019年到2024年間在太空搭建由約1.2萬(wàn)顆衛(wèi)星組成的星鏈網(wǎng)絡(luò)提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)[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(zhǔn)備再增加3萬(wàn)顆，使衛(wèi)星總量達(dá)到約4.2萬(wàn)顆。星鏈與5G相比是兩種完全不同的網(wǎng)絡(luò)提供方式。不能在我們的手機(jī)或筆記本電腦上直接接收，它需要一個(gè)包含一組相控陣天線的大型接收機(jī)。相比之下，5G網(wǎng)絡(luò)更加便捷，只要部署好基站，移動(dòng)設(shè)備在基站輻射范圍內(nèi)便可以接收到信號(hào)。就目前情況而言，在手機(jī)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(jī)等）更易于安裝相控陣天線，如果他們使用星鏈的網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)降低用網(wǎng)成本和提升速度。5G所針對(duì)的是密集型地區(qū)，而星鏈可以更好解決偏遠(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)、海島等缺少無(wú)線基站、電纜建設(shè)成本較高的地區(qū)。

（3）6G

6G，即第六代移動(dòng)通信技術(shù)，主要為促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其仍在開(kāi)發(fā)階段[6]。6G的傳輸能力預(yù)估可能比5G提升100倍，網(wǎng)絡(luò)延遲也可能從毫秒降到微秒級(jí)。除了進(jìn)一步提升5G時(shí)代的應(yīng)用（無(wú)人車、無(wú)人機(jī)、智能城市），6G可能還會(huì)孕育一些科幻應(yīng)用，比如將人腦與計(jì)算機(jī)連接，觸摸控制系統(tǒng)也會(huì)大大增強(qiáng)，感應(yīng)接口讓感官變得栩栩如生，難辨真假。從技術(shù)角度看，6G會(huì)給通信工程師帶來(lái)很大挑戰(zhàn)，比如材料科學(xué)、設(shè)備科學(xué)、低能耗電路、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、生物技術(shù)、通信協(xié)議。此外，最大的挑戰(zhàn)來(lái)源于如何管理開(kāi)發(fā)工作，只有這樣，最終的網(wǎng)絡(luò)才會(huì)具有彈性，擁有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以為各種應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供支持，最終讓異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫共存。

5 結(jié)論

在我國(guó)政府的大力支持下，行業(yè)資本與技術(shù)廠商相輔相成，實(shí)現(xiàn)共建充滿活力的5G產(chǎn)業(yè)環(huán)境。其中，我國(guó)各廠商在5G的技術(shù)研發(fā)上發(fā)揮了重要作用，并取得突出成效。目前，我國(guó)的5G技術(shù)處于全球領(lǐng)先地位，產(chǎn)業(yè)生態(tài)正逐步完善。隨著5G的商用，其中存在的問(wèn)題成了有待更新的技術(shù)要求，如系統(tǒng)與技術(shù)融合有待加強(qiáng)、容量和頻譜的效率有待提高、移動(dòng)終端有待升級(jí)、能耗控制遭遇困境。而這些有待更新的技術(shù)要求又引領(lǐng)著5G技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。隨著5G的不斷更新迭代、進(jìn)步發(fā)展，新的技術(shù)浪潮持續(xù)翻涌，推陳出新了諸如第六代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、星鏈、第六代移動(dòng)通信等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了革新競(jìng)爭(zhēng)，但是正因?yàn)榧夹g(shù)競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)一步推動(dòng)了技術(shù)發(fā)展，最終改變?nèi)藗兊纳?。作為通用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，5G將全面構(gòu)筑經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，與垂直行業(yè)的融合應(yīng)用將孕育新興信息產(chǎn)品和服務(wù)，改變?nèi)藗兊纳罘绞?，促進(jìn)信息消費(fèi)，并逐步滲透到經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)各領(lǐng)域，重塑傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，并拓展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)空間。

[1]王強(qiáng). 5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中FB-OFDM多載波技術(shù)的研究[D].西安科技大學(xué)，2018.

[2]童偉，宋春鳳.基于3.5GHz頻段的5G新空口系統(tǒng)在海南環(huán)島高鐵的應(yīng)用前景研究[J].數(shù)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(xué)，2019.

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

[5]章羅娜，李心蕊，趙書(shū)閣，高利春.“星鏈”星座建設(shè)成本及運(yùn)營(yíng)分析[J].國(guó)際太空，2020（11）：23-27.

[6]葛建華，李靖.對(duì)6G關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的思考[J/OL].中興通訊技術(shù)：1-9[2021-04-21].

本文得到深圳市南山區(qū)政務(wù)服務(wù)數(shù)據(jù)管理局項(xiàng)目支持（5G新技術(shù)應(yīng)用研究服務(wù)，編號(hào)SZNSZS2020190-1）