5G是未來科技真正落地的關(guān)鍵

張琦

5G移動(dòng)通信技術(shù)是目前通信技術(shù)中的前沿科技，也是現(xiàn)在通信領(lǐng)域研究的重點(diǎn)方向，將帶來發(fā)展與應(yīng)用的爆發(fā)式增長(zhǎng)

近一年來，5G成為通信科技界的常用關(guān)鍵詞。作為2020年以后順應(yīng)移動(dòng)通信需求而發(fā)展起來的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，5G已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近日，廣東移動(dòng)在國(guó)內(nèi)率先于廣州大學(xué)城開通5G基站，并進(jìn)行了5G外場(chǎng)測(cè)試。隨后，廣東聯(lián)通聯(lián)合廠商在深圳開通5G基站，也進(jìn)行了外場(chǎng)測(cè)試。而在結(jié)束不久的2017世界移動(dòng)大會(huì)上海展上，5G建設(shè)成為主題之一，眾多企業(yè)紛紛發(fā)布自己的戰(zhàn)略，展示階段性研發(fā)成果。

什么是5G

從信息通信技術(shù)發(fā)展與演進(jìn)的軌跡分析，5G指的是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，是面向2020年之后的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，是2G、3G、4G數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。

從1G到2G，移動(dòng)通信技術(shù)完成了從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變，在語音業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上，擴(kuò)展支持低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。從2G到3G，數(shù)據(jù)傳輸能力得到顯著提升，峰值速率可達(dá)2Mbps以上，支持視頻電話等移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)。4G的傳輸能力比3G又提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，峰值速率可達(dá)100Mbps-1Gbps。相對(duì)于4G技術(shù)，5G將以一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供峰值10Gbps以上的帶寬，用戶體驗(yàn)速率可穩(wěn)定在1Gbps-2Gbps。5G網(wǎng)絡(luò)擁有更強(qiáng)的性能，支持超高速率、超低時(shí)延、超大連接的應(yīng)用場(chǎng)景。

5G究竟神在哪

與4G相比，5G到底有多快？中國(guó)信息通信研究院日前發(fā)布的《5G經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響白皮書》（以下簡(jiǎn)稱《白皮書》）指出，5G網(wǎng)絡(luò)將達(dá)到至少10倍于4G的峰值速率。不過，高速僅僅是5G天賦的冰山一角?！栋灼分赋觯?G還具備毫秒級(jí)低時(shí)延和熱點(diǎn)容量高兩個(gè)“殺手級(jí)”特性。

1. 毫秒級(jí)低時(shí)延。這意味著不僅數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳闲?、下行?huì)更快，等待數(shù)據(jù)傳輸開始的響應(yīng)時(shí)間也會(huì)大幅縮短。比如，當(dāng)用戶在手機(jī)上觀看4K視頻時(shí)，卡頓也會(huì)明顯減少。

2. 熱點(diǎn)容量高。這將解決當(dāng)前嚴(yán)重缺乏帶寬的難題。如今，3G和4G網(wǎng)絡(luò)上的無線頻率人滿為患，而5G容量高的特性讓生活在人員密集、流量需求大的區(qū)域用戶，也能享受到高速網(wǎng)絡(luò)。

3.開啟新頻帶資源。在此之前，毫米波只應(yīng)用在衛(wèi)星和雷達(dá)系統(tǒng)上，但現(xiàn)在已經(jīng)有運(yùn)營(yíng)商開始使用毫米波在基站之間做測(cè)試。5G網(wǎng)絡(luò)基站是大量小型基站，功耗比現(xiàn)在大型基站低，基站的天線規(guī)模也會(huì)大增，形成陣列，提升移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)容量，發(fā)送更多信息。

4. 頻譜利用率高。在目前的科技水平條件下，高頻段無線電波利用率較低，穿透能力差，使用上有不少限制，而未來對(duì)頻譜的利用率提升，與光載無線組網(wǎng)、有線和無線寬帶技術(shù)的融合，能夠給5G通信技術(shù)帶來廣泛的應(yīng)用前景。

5. 連續(xù)廣域覆蓋。這指的是能在偏遠(yuǎn)山區(qū)、地下車庫、高速移動(dòng)狀態(tài)下，以保證用戶的移動(dòng)性和業(yè)務(wù)連續(xù)性為目標(biāo)，為用戶提供高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)。換言之，就是信號(hào)覆蓋范圍更廣，網(wǎng)速更快，而且在目前4G網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)不是特別好的地下車庫或者高鐵等快速移動(dòng)的場(chǎng)景能有比較流暢的體驗(yàn)。

6. 低功耗大連接。5G能夠提供具備超千億網(wǎng)絡(luò)連接的支持能力，滿足100萬/平方千米連接數(shù)密度指標(biāo)要求。這項(xiàng)功能主要面對(duì)面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能農(nóng)業(yè)、森林防火等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于提升城市管理能力、政府公共服務(wù)、森林防火，以及更好地打擊犯罪維護(hù)社會(huì)秩序都有很大的積極意義。

如此多的特性，決定5G并非等于4G+1G。5G讓智能的萬物能夠互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模機(jī)器間的相互通信。英特爾公司預(yù)計(jì)，到2020年，5G將會(huì)連接500億臺(tái)智能設(shè)備和77億人。

5G技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用趨勢(shì)

與此前3G、4G發(fā)展時(shí)相對(duì)封閉、各自為政的情況不同，在5G的建設(shè)上，包括傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商、系統(tǒng)設(shè)備商在內(nèi)的相關(guān)企業(yè)越來越強(qiáng)調(diào)合作共建產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，而其背后，看重的正是新一代技術(shù)對(duì)社會(huì)變化的巨大推動(dòng)力，對(duì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的促進(jìn)。

1.媒體類業(yè)務(wù)應(yīng)用。在5G環(huán)境下，視頻類業(yè)務(wù)在移動(dòng)性、用戶體驗(yàn)、性能提升等方面將有新的發(fā)展。

（1）大視頻業(yè)務(wù)。4K超清業(yè)務(wù)需要50Mbit/s的穩(wěn)定帶寬，平均40Mbit/s的4G網(wǎng)絡(luò)已無法滿足。5G技術(shù)的應(yīng)用將帶來移動(dòng)視頻點(diǎn)播、直播、視頻通話、視頻會(huì)議和視頻監(jiān)控領(lǐng)域的飛速發(fā)展和用戶體驗(yàn)質(zhì)的飛躍。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）業(yè)務(wù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為用戶提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同身臨其境一般。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成功應(yīng)用于游戲、影視、直播、教育、工業(yè)仿真、醫(yī)療等領(lǐng)域。

主流虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備分為連PC式頭盔和插手機(jī)式頭盔兩類，連PC式頭盔是目前的主流方向，主機(jī)完成運(yùn)算和圖像渲染，通過HDM1線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主要面向具有深度游戲體驗(yàn)需求的中高端用戶。5G較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，低時(shí)延和較大的通信容量，將使用戶擺脫線纜的約束，盡情地享受虛擬現(xiàn)實(shí)游戲帶來的快樂。

插手機(jī)式頭盔定位為入門級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，該種類型設(shè)備均價(jià)普遍較低，比較適合具有觀影與輕度游戲需求的用戶，是未來幾年市場(chǎng)普及的主流設(shè)備。智能手機(jī)感知用戶頭部位姿信息，負(fù)責(zé)高質(zhì)量視頻渲染，功耗大，很難長(zhǎng)時(shí)間使用，同時(shí)受制于智能手機(jī)的計(jì)算能力較弱，視頻質(zhì)量不高，有很強(qiáng)的顆粒感且有一定的時(shí)延，體驗(yàn)不佳。5G環(huán)境下，該類型的應(yīng)用采用云端配合的架構(gòu)，頭盔僅負(fù)責(zé)獲取用戶頭部位姿信息和顯示視頻，計(jì)算能力要求較高的視頻渲染放在云端進(jìn)行，通過無線網(wǎng)絡(luò)將渲染好的視頻幀傳輸給頭盔進(jìn)行顯示，用戶可獲得長(zhǎng)時(shí)間的高質(zhì)量視頻觀影體驗(yàn)。

（3）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）業(yè)務(wù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)，借助計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)將虛擬對(duì)象準(zhǔn)確疊加在物理世界中，呈現(xiàn)給用戶感知效果更豐富的新環(huán)境。通信技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)智能終端處理能力的變強(qiáng)，移動(dòng)傳感器設(shè)備的性能提升為在智能終端上增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)的普及提供了基礎(chǔ)，為分層次打造個(gè)性化的信息服務(wù)提供了必要的支撐條件，也極大地促進(jìn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)在教育、游戲、購(gòu)物、社交網(wǎng)絡(luò)、商業(yè)統(tǒng)計(jì)、旅游等業(yè)務(wù)的創(chuàng)新。

較好的用戶體驗(yàn)對(duì)實(shí)時(shí)性提出了很高的要求，5G環(huán)境下，可以很好地解決查詢圖像以及虛擬信息傳輸帶來的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間延長(zhǎng)的問題，可以將跟蹤模塊和渲染模塊轉(zhuǎn)移到服務(wù)端或云端，無線網(wǎng)絡(luò)將渲染好的圖像傳遞給智能終端，不會(huì)讓用戶產(chǎn)生眩暈感，同時(shí)也解決了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用導(dǎo)致手機(jī)耗電高的問題。

2. 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。5G技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)配，能夠提供低成本、低能耗、低時(shí)延、高可靠性的通信，以支持物聯(lián)網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模的連接應(yīng)用。5G將與工業(yè)設(shè)施、醫(yī)療器械、醫(yī)療儀器、交通工具等進(jìn)行深度融合，全面實(shí)行萬物互聯(lián)，有效滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等垂直行業(yè)的信息化服務(wù)需要。

（1）智能汽車、交通運(yùn)輸和基礎(chǔ)設(shè)施。交通行業(yè)主要有3個(gè)挑戰(zhàn)：一是出行效率，二是駕駛安全和聯(lián)網(wǎng)安全，三是可持續(xù)的能源消耗模式。有效應(yīng)對(duì)方案是“萬物互聯(lián)+網(wǎng)絡(luò)協(xié)作+信息融合+智能分析”決策。在網(wǎng)絡(luò)本身連接之上，通過多源、異構(gòu)信息的融合創(chuàng)造出更多的價(jià)值，服務(wù)于高效、安全的交通出行。

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)屬于低時(shí)延、高可靠應(yīng)用場(chǎng)景，通過終端直通技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在汽車之間、汽車與路側(cè)設(shè)備間的通信，從而實(shí)現(xiàn)汽車主動(dòng)安全控制與自動(dòng)駕駛。車聯(lián)網(wǎng)（vehicle to X，V2X）自主安全駕駛，在近乎完美的傳輸可靠性下可將時(shí)延縮小到毫秒級(jí)，還支持多種場(chǎng)景的防碰撞檢測(cè)與告警、車速導(dǎo)引、車車安全和交叉路口協(xié)同等。

當(dāng)下4G網(wǎng)絡(luò)的支持可以做到部分無人駕駛（定速巡航、自動(dòng)緊急剎車等），而5G在理論上可以支撐完全無人駕駛。因?yàn)楦偷臅r(shí)延決定了駕駛系統(tǒng)能在更短的時(shí)間內(nèi)對(duì)突發(fā)情況做出快速反應(yīng)。例如，車速達(dá)到120千米/時(shí)，前后車的動(dòng)作只有15毫秒的時(shí)差，要在這15毫秒內(nèi)做出足夠快的響應(yīng)，以4G約20毫秒的時(shí)延將會(huì)發(fā)生事故，而5G的時(shí)延是1毫秒，幾乎等于實(shí)時(shí)反應(yīng)。

通過車與車（vehicle to vehicle，V2V）、車與路邊設(shè)備（vehicle to infrastructure，V2I）的通信，實(shí)現(xiàn)汽車的主動(dòng)安全，比如緊急剎車的告警、汽車緊急避讓、紅綠燈緊急信號(hào)切換等。在未來，這些會(huì)成為汽車自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。

（2）遠(yuǎn)程設(shè)備的關(guān)鍵控制。未來，在諸如遠(yuǎn)程礦山挖掘、礦山運(yùn)輸?shù)葘?duì)安全有著極高要求的環(huán)境里或在危險(xiǎn)、有害健康的環(huán)境里，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)。有了5G技術(shù)，遠(yuǎn)程醫(yī)療將不再是夢(mèng)想，超短的時(shí)延使醫(yī)生能實(shí)施2000千米的遠(yuǎn)程診療和順暢的異地遠(yuǎn)程手術(shù)，偏遠(yuǎn)地區(qū)的病患也能享受到優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源。

（3）人與物聯(lián)網(wǎng)的交互。騎自行車的人在經(jīng)過十字路口或視線不太好的地方時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)根據(jù)騎行人的位置、方向和周邊路況進(jìn)行適配，判斷會(huì)不會(huì)有相撞的風(fēng)險(xiǎn)，通過頭盔的振動(dòng)來提醒要注意車速、安全等。

3. CDN架構(gòu)變化與智能運(yùn)維。5G將帶來一個(gè)全連接、深融合、高智能的世界，全連接引發(fā)海量的數(shù)據(jù)處理，傳統(tǒng)的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network，CDN）架構(gòu)如何滿足低時(shí)延的用戶體驗(yàn)？如何對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)字化、智能化管理？

（1）從云計(jì)算到邊緣計(jì)算?，F(xiàn)在正在流行的云計(jì)算（cloud computing），是把大量數(shù)據(jù)放到“云”里計(jì)算或存儲(chǔ)。在5G時(shí)代，隨著物聯(lián)網(wǎng)的成長(zhǎng)、越來越多高清視頻的消耗和越來越豐富業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延帶來很高的要求，單純依靠5G提高網(wǎng)絡(luò)性能、降低時(shí)延，很難滿足未來業(yè)務(wù)的要求，邊緣計(jì)算（edge computing）將是解決這一問題的重要途徑。

所謂邊緣計(jì)算，就是將應(yīng)用、數(shù)據(jù)和服務(wù)從中心化模式的云計(jì)算移向了位于網(wǎng)絡(luò)末端、離用戶更近、更為分散的地方，而不是單獨(dú)依賴云端的服務(wù)器。萬物互聯(lián)的數(shù)據(jù)、高清的視頻數(shù)據(jù)被越來越多地在靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的地方進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、分析和執(zhí)行。

（2）人工智能使得5G網(wǎng)絡(luò)更加智能。人工智能將成為5G時(shí)代的一項(xiàng)基礎(chǔ)支撐技術(shù)，能給5G網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)、故障修復(fù)、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等帶來便利。人工智能、大數(shù)據(jù)挖掘分析等技術(shù)可以使無線網(wǎng)絡(luò)變得更方便、更智能。如在NFV平臺(tái)中嵌入AI監(jiān)控模塊，便能夠自動(dòng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)異常，并進(jìn)行自動(dòng)恢復(fù)，預(yù)計(jì)準(zhǔn)確率超過90%，且效率是傳統(tǒng)監(jiān)控方式的5倍。

中國(guó)引領(lǐng)5G技術(shù)發(fā)展的建議

縱覽全球，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）已完成5G愿景研究，預(yù)計(jì)2020年前將完成標(biāo)準(zhǔn)制定。5G將解決多樣化應(yīng)用場(chǎng)景下差異化性能指標(biāo)帶來的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，伴隨5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，5G新業(yè)務(wù)、新架構(gòu)、新技術(shù)都會(huì)對(duì)安全和用戶隱私保護(hù)提出新的挑戰(zhàn)。未來5G安全將呈現(xiàn)多樣化場(chǎng)景，并在多種接入方式以及新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上提供全方位的安全保障。

5G將于2020年正式商用，具體到中國(guó)，將經(jīng)歷3個(gè)階段：一是技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)，目前已完成；二是技術(shù)方案驗(yàn)證，目前已啟動(dòng)，預(yù)計(jì)到2017年底完成；三是系統(tǒng)驗(yàn)證，預(yù)計(jì)2017年中到2018年底結(jié)束。

值得一提的是，2016年11月，國(guó)際移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織（3GPP）最終確定了5GeMBB場(chǎng)景的信道編碼技術(shù)方案，其中，短碼的控制信道編碼方案采用了華為主推的Polar碼。此外，中國(guó)移動(dòng)成功牽頭5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)。

展望未來，要想在5G領(lǐng)域持續(xù)領(lǐng)跑的革命尚未成功，中國(guó)通信業(yè)仍需持續(xù)努力。在信息通信業(yè)最核心的技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)企業(yè)的原始創(chuàng)新能力還需進(jìn)一步提高。在5G全球標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)推進(jìn)中，中國(guó)需要貢獻(xiàn)更多的創(chuàng)新成果，在一些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域擁有更多的話語權(quán)，引領(lǐng)5G移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，促進(jìn)合作與共贏。

（作者單位為中興通訊股份有限公司）