鐘 旻

1 引言

自20世紀(jì)80年代無線蜂窩移動電話問世以來，經(jīng)30多年的發(fā)展，已進(jìn)入到4G時代。表1列出了1～4代的技術(shù)發(fā)展水平[1]，從中可見，從第一代到第二代，實現(xiàn)了從模擬制到數(shù)字制的跨越；在傳輸速率、可靠性和應(yīng)用等方面，每十年就跨上一個臺階，到第四代，已將分組交換完全取代了電路交換，提高了通信資源的利用率，從而提升了信道容量和吞吐量?？傊瑹o線蜂窩移動通信在短短的數(shù)十年里，其進(jìn)步是快速而巨大的。

表1 1～4G無線蜂窩移動通信的發(fā)展

（1）要指出，無線移動通信每一階段的發(fā)展，都是對全球社會信息化的巨大推動。在發(fā)達(dá)國家，它提供了包括話音、短信乃至多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的便捷通信；在發(fā)展中國家，它以較低代價，迅速實現(xiàn)了通信現(xiàn)代化，填平了與發(fā)達(dá)國家之間的“數(shù)字鴻溝”。

（2）第四代無線移動通信已幾近“極致”，實現(xiàn)了在任何地方、任何時間與任何人之間的人與人之間的通信聯(lián)系，但其發(fā)展并未完結(jié)，“第五代”（“5G”）移動通信又已提到了日程上來。國際電信聯(lián)盟（ITU）2015年11月將第五代無線移動通信正式命名為IMT-2020，給出了5G的發(fā)展路線圖（圖1），規(guī)定到2020年達(dá)到實用化的目標(biāo)[2]。

圖1 IMT-2020發(fā)展路線圖

（3）在中國，華為、中興、大唐等開發(fā)商和中國移動、中國電信、聯(lián)通等運營商也提出了與之同步的時間表。5G移動通信出臺前的工作正緊鑼密鼓地進(jìn)行著。

2 什么是5G？為什么要發(fā)展5G？

什么是5G移動通信？至今未見統(tǒng)一的嚴(yán)格的定義。從“入門”認(rèn)知的角度看，可以認(rèn)為，5G無線移動通信是傳輸速度更快、時延更短、容量更大、應(yīng)用更廣、能量更節(jié)省、更綠色、更可靠的新一代移動通信。進(jìn)一步說明，圖2給出了5G的系統(tǒng)架構(gòu)。從中可見，5G將是一個真正意義上的應(yīng)用范圍極廣的會聚系統(tǒng)：從移動語音到每秒數(shù)千兆比傳輸?shù)囊苿踊ヂ?lián)網(wǎng)，到設(shè)備與設(shè)備（D2D）、車輛與車輛或車輛與基礎(chǔ)設(shè)施（V2X）的通信，以及機器類（MTC）通信和公共安全應(yīng)用?？傊?，5G是產(chǎn)業(yè)，5G是第四次產(chǎn)業(yè)革命的基礎(chǔ)設(shè)施。在宏蜂窩區(qū)層面上，基站將采用三維多入-多出（3D-MIMO）技術(shù)，以進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)速率和容量；同時在盲區(qū)和熱點，利用中繼、布置超密度小區(qū)或Wi-Fi卸載，進(jìn)一步提升覆蓋、容量和端到端傳輸性能。

此外，5G中，智能電網(wǎng)也是非常有價值的應(yīng)用，它能使電網(wǎng)以更可靠和高效的方式運行。在無線接入網(wǎng)中，采用云計算，可大降低末端用戶的通信時延，以支持對時延要求苛刻的應(yīng)用場合的實時控制。

由于嵌入小區(qū)，會給網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來新的挑戰(zhàn)。圖3給出了傳統(tǒng)的蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)比較的示意圖，網(wǎng)絡(luò)從單層演變?yōu)槎鄬?，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓鼮閺?fù)雜，容納了各種用途的終端，通信聯(lián)接無時不在、無處不在。

圖2 5G的系統(tǒng)架構(gòu)

經(jīng)過世界有關(guān)方面和專家的協(xié)商，已確定用戶體驗速率、峰值速率、時延、移動性、連接數(shù)密度、流量密度、能效和頻譜效率等8個作為5G的關(guān)鍵性能指標(biāo)，其定義和量化值如表2所示。

表2 5G無線移動通信的關(guān)鍵性能指標(biāo)

據(jù)認(rèn)為，這8個關(guān)鍵性能指標(biāo)中，最具代表性的是達(dá)到1Gb/s的用戶體驗速率，用戶使用這樣的手機，在數(shù)秒鐘內(nèi)，可下載一部高清電影，或無須緩存等待的足球、籃球賽直播節(jié)目，這是以往所無法達(dá)到的，就是說，5G打開了廣大用戶進(jìn)入了千兆比時代的大門。

需求是發(fā)展5G的推動力。移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是發(fā)展5G的兩大推動力（圖4）[2]。

圖4 發(fā)展5G的推動力

首先，是人類社會信息化向更高水平發(fā)展，推動了移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)量與質(zhì)量的進(jìn)一步提升。最初，互聯(lián)網(wǎng)中的計算機和通信設(shè)備是固定不動的，但使用計算機和通信設(shè)備的人對信息的依賴性起來越大，而他們是常常是需要走動的，如隨著工業(yè)、商業(yè)、行政和文教等遠(yuǎn)程辦公和移動辦公人員越來越多，對移動互聯(lián)的需求也越來越大。除工作外，人們在文化、娛樂、體育活動及家庭親友的交互中，移動互連也是大量的，必不可少的。就娛樂游戲而言，人們需要在線從二維升級到增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、超高清（3D）視頻等更加身臨其境的體驗。這需要寬帶、高速率數(shù)據(jù)傳輸和多媒體技術(shù)的支持；3D游戲互動則要求極短的時延。圖5給出了關(guān)于全球移動連接和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的統(tǒng)計與增長預(yù)測情況[3]，可見其需求的快速增長。

圖5 全球和中國移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的統(tǒng)計與預(yù)測

其次，是隨著全球城市智慧化的進(jìn)程，數(shù)以千億計的機器、設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)，所構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)將獲得巨大發(fā)展，這將極大擴(kuò)展通信服務(wù)范圍，從人與人通信延伸到物與物、人與物的智能互聯(lián)。包括機器對機器（M2M）、設(shè)備對設(shè)備（D2D）等移動互聯(lián)。其中，M2M通信是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，海量的機器具有通信能力且構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，可智慧互動，實現(xiàn)對機器本身或周圍環(huán)境的監(jiān)視、控制，它不是簡單產(chǎn)生采集點的數(shù)據(jù)，而是一種機器間的協(xié)作系統(tǒng)。它們具有傳輸量少、巨量連接、突發(fā)性等特征。圖6是全球和中國移動設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)連接現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[3]，正是其需求的高速增長，為5G開辟了新的寬闊的市場。這樣，從限于人與人之間的通信互聯(lián)，到全球的萬物（包括人）互聯(lián)，并賦予“智慧”，這是人類社會帶根本性的信息化革命。

圖6 2010-2030年移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)連接的增長

如上所述，未來的5G將容納多種終端、多種業(yè)務(wù)和應(yīng)用環(huán)境，其中幾種典型的應(yīng)用場景舉例如圖7所示[3]。圖中所列的關(guān)鍵挑戰(zhàn)與表2中所列出的關(guān)鍵性能指標(biāo)，是呼應(yīng)的。

圖7 5G典型應(yīng)用場景和關(guān)鍵性能挑戰(zhàn)

連續(xù)廣域覆蓋是移動通信最基本的覆蓋方式，要保證用戶的移動性和業(yè)務(wù)連續(xù)性，為用戶提供無縫的高速業(yè)務(wù)體驗。一些熱點區(qū)域，要為用戶提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足網(wǎng)絡(luò)極高的流量密度需求。后二場景，是為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用而設(shè)。低功耗大連接，是面向具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、海量連接等特點的，以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用。低時延高可靠主要面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等對時延和可靠性具有極高的指標(biāo)要求的場合。無線鏈路的設(shè)計上述場景的實現(xiàn)密切相關(guān)，表3分別列出了應(yīng)用的要求對無線鏈路設(shè)計的影響[4]。

表3 各種5G應(yīng)用的要求對無線鏈路設(shè)計的影響

3 全頻譜接入

為了實現(xiàn)5G的目標(biāo)，需要一系列的政策與技術(shù)支持，如圖8所示。其中，新頻譜的開發(fā)利用是極為重要的。

圖8 5G的關(guān)鍵性能指標(biāo)和相應(yīng)的候選技術(shù)

高速率、大容量、海量用戶密度……等等，需要足夠頻譜資源的支持。原有移動通信頻譜已無法滿足新一代移動通信發(fā)展的要求，按照山農(nóng)公式，信道通信容量按下式計算：

式中，B為信道帶寬；FB為相應(yīng)的分?jǐn)?shù)帶寬（=B/f0）；f0為中心頻率；γ為信道信噪比。引入分?jǐn)?shù)帶寬，是消除不同頻段射頻值的影響，以便于系統(tǒng)的設(shè)計。通常，移動通信中FB為1%左右。從上式可見，當(dāng)FB一定時，f0越高，所獲得的通信容量越大。因此，采用更高的射頻，即厘米波高頻段和毫米波，已成為必然趨勢；在圖7所示的5G關(guān)鍵性能指標(biāo)和相應(yīng)的候選技術(shù)中，可以看到新頻譜開發(fā)的重要意義，可以說毫米波的登場，是5G技術(shù)的一大亮點。同時，對較低的射頻，也要繼續(xù)開拓和挖掘潛力，就是說，5G將通過全頻譜的接入（圖9），來保證網(wǎng)絡(luò)的連通。表4列出了5G在上述高等級要求中，與所涉及的潛在頻譜的關(guān)系[4]。

圖9 5G通過全頻譜接入為網(wǎng)絡(luò)提供保障

4 采用毫米波面臨的挑戰(zhàn)

毫米波頻段具有豐富的頻譜資源，可充分支持5G通信的需要。但也要注意到，應(yīng)用毫米波時會遇到與低頻段不同的若干問題與挑戰(zhàn)，是要認(rèn)真對待和處理的。

表4 5G高等級要求中，涉及的潛在頻譜利用

首先，是環(huán)境對毫米波傳播的影響。大氣、降雨等對毫米波會造成嚴(yán)重的吸收損耗，一般地說，頻率越高，所引起電波的衰減越嚴(yán)重；大氣中的氧分子和水蒸汽對毫米波的某些頻率，還會產(chǎn)生強烈的共振吸收，造成衰減峰。因此，即使毫米波信號是在自由空間中傳輸，其通信距離也會嚴(yán)重的制約。其次，毫米波頻率接近光頻，是近似直線傳播的，對障礙物的繞射和穿透能力，均弱于較低頻率的電磁波，在城區(qū)，常受到建筑物和人群的阻擋，在室內(nèi)，則有墻壁等的阻隔；在郊區(qū)，其間的地形地物，如山丘、植被等，電波受到反射、吸收衰減，這些，都是不利于毫米波的傳送的。再者，毫米波對人的健康的影響也不容忽視[5]。據(jù)研究，人的皮膚和角膜對毫米波具有吸收作用，因此，皮膚和肌肉近表層區(qū)是毫米波輻射影響的主要目標(biāo)。皮膚包含微血管和神經(jīng)末梢，毫米波的生物效應(yīng)可能通過分子機構(gòu)或神經(jīng)系統(tǒng)傳遞。如同微波一樣，毫米波具有熱和非熱效應(yīng)。為了克服上述因素對毫米波傳播的影響，在城區(qū)的熱點，利用毫米波的基站和用戶設(shè)備將是大量而密集的，特別是手機等與使用者緊靠，這對人的健康是否有害，是十分值得關(guān)注的?！?/p>