楊梓煜

摘要：在當今社會中通訊技術是必不可少的一項重要科學技術。在這個高速發(fā)展的時代，5G通訊技術的應用更加廣泛，但同時也面臨著許多挑戰(zhàn)與機遇。本文首先梳理了不同時代的通信方法，并對通信科學的一些瓶頸進行分析。然后論述了5G通信的關鍵技術，包括MIMO，稀疏多址，全雙工技術等。本文主要對5G所面對的難題進行了詳細研究，并重點分析了頻段、頻譜、系統(tǒng)容量、成本和終端設備等多方面的問題。為以后學者的進一步研究提供了參考和基準。

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.

關鍵詞：5G關鍵技術;MIMO;稀疏多址;全雙工技術;移動互聯(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

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）25-0257-03

1? 5G的發(fā)展歷程

1.1 從1G到4G? 第一代移動通信系統(tǒng)（1G）是模擬式通信系統(tǒng)[1]，模擬式是代表在無線傳輸采用模擬式的FN調(diào)制，將介于300Hz到3400Hz的語音轉(zhuǎn)換到高頻的載波頻率MHz上。但是因為模擬通信系統(tǒng)的眾多缺陷，經(jīng)常發(fā)生盜號和串號等現(xiàn)象。緊接著是2G通信[1-3]。2G相比較1G有著質(zhì)的飛躍，由模擬通信信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字通信信號，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。緊接著是3G時代的到來。由國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了3G通信的四種標準制式，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。碼分多址是3G的技術基礎。2014年，4G終于在中國登陸。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的上傳速度進行數(shù)據(jù)傳輸、高質(zhì)量的音頻、視頻與圖片傳輸?shù)取Ｖ钡疆斀裆鐣?G依然是社會中移動通訊的主流技術，在5G技術商業(yè)化之前，4G還將會占領一段時間的榜首[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，5G將在三個維度上進行同時提升：①通過引入新的無線傳輸技術將資源利用率在4G基礎上提高10倍以上;②通過引入新的體系結(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系統(tǒng)吞吐率提高約25倍;③進一步挖掘開發(fā)新的頻率資源（如高頻段、毫米波與可見光等），使未來的無線移動通信的頻率進一步提升。5G的到來將移動通訊的整體水平提高了一個等級，并且促進了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以其極具優(yōu)勢的傳輸速度來實現(xiàn)各種物品與網(wǎng)絡的連接，以便于滿足物聯(lián)網(wǎng)的需要。但同時，5G也面對一個巨大的挑戰(zhàn)：當新興技術來臨時，要保證速度與數(shù)量都大大增加的前提下，讓用戶的總費用不僅不上升，反而要做到下降。這個則需要做到5G在單位流量的價格方面有著巨大的突破。傳輸速度提升所帶來的是用戶對流量等使用量的提高，在數(shù)量上升且價格下降的整體趨勢下，成本問題注定將成為各大運營商上線5G的一大攔路虎[6]。

2? 5G的關鍵技術

2.1 稀疏碼多址技術? 稀疏碼多址技術是5G的關鍵技術之一。這一技術能增加通訊頻段的復用量，使字符串在長度沒有太大變化的情況下大大增加所含的信息量[7]。將信息進行分層處理，例如在視頻通話方面做到聲音與畫面使用不同的通訊頻段來傳輸以達到提升速度與穩(wěn)定的目標。未來的信息傳輸需求量將因為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而大大增加，通過稀疏碼多址技術來提高頻譜復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? 傳統(tǒng)MIMO是通過發(fā)送端和接收端都配備多根天線來提高通信系統(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技術受限于移動終端尺寸、功耗以及外觀的限制，想要進一步提高數(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)流個數(shù)或者增加基站天線端口數(shù)目。大規(guī)模MIMO技術，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服務多個用戶且移動終端一般采用單天線接收的通信方式。規(guī)模增大了，天線密度過高、挨得太近容易使傳輸信道呈現(xiàn)相關性，也會產(chǎn)生導頻污染。如何利用好大規(guī)模MIMO技術將會是一大難點[9]。手機已經(jīng)是現(xiàn)代人不可或缺的一種生活用品，更是有人視手機如生命。手機強大的功能性就是建立在移動網(wǎng)路上的，只有連接了通訊網(wǎng)絡，手機才能發(fā)揮它的功能。在未來50年內(nèi)，人類對手機、對通訊的需求量將大大增加，而4G則無法勝任這一艱巨任務。5G運用毫米波，將網(wǎng)絡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信號不能進行長距離傳輸。幸而解決方法也十分簡單：縮減基站的體積，在城市各個角落中建立類似路燈的微型基站，通過數(shù)量來彌補距離上的不足。

2.3 同時同頻全雙工技術? 無線通信設備使用相同的時間、相同的頻率，同時發(fā)射和接收無線信號，使得無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]。這項技術看上去簡單，實則需要進行數(shù)字干擾消除、射頻干擾消除和數(shù)字干擾消除。

3? 通訊技術所面對的問題

相信所有人都經(jīng)歷過手機信號不好甚至沒有信號、移動數(shù)據(jù)連接不穩(wěn)的情況。本文也對連接不穩(wěn)定的原因進行了分析。

3.1 多卜勒效應? 多卜勒效應指的是由于目標高速移動，使得目標速度與電磁波速度差減小。如圖2所示，在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高;在運動的波源后面時，會產(chǎn)生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低。由于頻率的改變，讓信號變得不穩(wěn)定，這就是多卜勒效應。

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)會對通訊信號產(chǎn)生一定量的通訊屏蔽。在距離基站位置較遠的區(qū)域就會產(chǎn)生信號弱或是無信號的情況。5G通訊使用毫米波進行通訊，本身具備穿透能力差的問題，在市區(qū)中有不小的劣勢。增加基站數(shù)量是一個不錯的解決思路，但是運營成本，包括維護等等，費用也會大大增加。未來的趨勢是民眾通訊費用的降低，而運營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題就會浮出水面，變成棘手的難題。

3.3 網(wǎng)絡頻段與網(wǎng)速? 在5G的到來之前，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遠小于其他通訊如4G、3G等。在稀疏碼多址技術更進一步之前，相近的頻段會有串線等嚴重的問題。5G相較于4G來說速度雖然有著質(zhì)的飛越，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，5G所連接的物品數(shù)量將會幾何增長。比如5G的理論速度是4G的100倍，但是由于物聯(lián)網(wǎng)，需要進行移動溝通的物品數(shù)量增加到原來的200倍，那么5G通訊的速度優(yōu)勢可能會有所下降。

4? 5G面對挑戰(zhàn)

4.1 頻段數(shù)量不足? 頻段復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)在頻段利用率對于5G來說還是有所缺陷。5G只能通過開通新的頻段或者在峰期臨時借用一些特殊頻段來進行解決，或是將不同的需求放到不同的頻段中去。比如在實時視頻通話中，將較為復雜的畫面信號用5G傳輸，而將較為簡單的聲音信號用4G或別的路徑分離傳輸，在接收方處重組畫面。用如此方法就可以達到提升速度、減少頻段使用的目的。

4.2 頻譜效率和系統(tǒng)容量? 在未來的時間里，5G使用毫米波進行通信已經(jīng)是板上釘釘?shù)氖虑榱薣11]。嚴格來講，毫米波的頻率為30GHz到300GHz，對應的波長分別為10mm到1mm。在通信領域，24GHz到100GHz的波段稱為5G毫米波。毫米波具有三大天然缺陷：信號衰耗大，易受阻擋，覆蓋距離短。與其他無線信號不同的是，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、甚至拿著手機的手都可以對毫米波進行一定的阻擋。在不久的將來，通信業(yè)將會和氣象局等聯(lián)手，通過對降水量的統(tǒng)計，來計算出毫米波無線鏈路損耗，來確定毫米波的最大傳輸距離。關于遮擋方面，可以利用墻體反射或者其他反射裝置來繞過阻礙物。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，而且復雜的建筑環(huán)境會影響到反射裝置的部署?；蛘呃每臻g分集技術，在波束賦形過程中，沿著多個路徑，同時發(fā)送多個波束，來減輕非視距的衰減，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。在當下時代，通信行業(yè)有幾項固定成本：前期的項目立項，設備招標，設備采購費用;組織施工，搬運材料，房屋租賃、施工費用;基站配套設施、設備，空調(diào)、UPS電池、傳輸線纜等。后期的電費、設備維護成本以及基站測試及優(yōu)化的費用。這些都是通信公司繞不過的費用。如果還按照現(xiàn)在的計費標準對5G進行計費，在網(wǎng)速提高百倍之后，也許一個眨眼間就是幾百MB流量的消失。為了能使5G在市場上能夠占據(jù)更大的席位，價格方面相較于4G一定要有優(yōu)勢，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格的下降，是技術師們要克服的又一大難題。

4.4 終端設備的性能? 隨著移動互聯(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，未來聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量將呈爆發(fā)式增長，互聯(lián)網(wǎng)時代的用戶長尾化需求、移動互聯(lián)網(wǎng)時代的用戶碎片化需求，將在終端設備形態(tài)上得到充分體現(xiàn)。對用戶而言，友好的用戶體驗和應用的多樣化成為服務類終端的核心競爭力。因此，要實現(xiàn)低成本多模終端的研發(fā)，對終端設備的芯片和工藝、射頻技術以及器件、電池壽命等技術研發(fā)帶來了挑戰(zhàn)。

電池是5G發(fā)展中硬件上最大的難點之一。5G通信所需的大量高新技術都需要建立在充足完備的硬件設施上。但是很長一段時間以來，科技在馬不停蹄地進步，但是電池技術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。當高耗能遇到低容量，5G設備的續(xù)航便成為其一大問題。

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看，它突破了美國的封鎖線，已經(jīng)往全球各地銷售達到4萬個5G基站，包括瑞士，匈牙利等歐洲國家。在高速網(wǎng)絡信息傳遞的時代下，5G似乎有著無與倫比的優(yōu)勢。從4G到5G可以說是一個質(zhì)的飛躍，在物聯(lián)網(wǎng)徹底成熟之后，人類將突破單位個體控制物品總量的極限。

總體來看，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具有多個應用場景，包括：超高速場景，為未來移動寬帶用戶提供高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡接入;支持大規(guī)模人群，為高人群密度地區(qū)或場合提供高質(zhì)量移動寬帶體驗;隨時隨地最佳體驗，確保用戶在移動狀態(tài)仍享有高質(zhì)量服務;超可靠的實時連接，確保新應用和用戶實例在時延和可靠性方面符合嚴格的標準;無處不在的物物通信，確保高效處理多樣化的大量設備通信，包括機器類設備和傳感器等。[14]

5.2 5G技術的展望——基于移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的描述? 在不久的將來，也許會有許許多多的新興職業(yè)伴隨著5G的出現(xiàn)而到來。就比如說萬物聯(lián)網(wǎng)之后的農(nóng)場主，只需要坐在家里，便可以遙控農(nóng)場中的各個工具，達到一個人管理一個甚至更多的農(nóng)場。國際電聯(lián)將5G應用場景劃分為移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)兩大類，除了支持移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，還將解決機器海量無線通信需求，極大促進車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領域的發(fā)展[15-16]。就目前規(guī)劃來看，5G網(wǎng)絡不僅傳輸速率更高，而且在傳輸中呈現(xiàn)出低時延、高可靠、低功耗的特點，低功耗能更好地支持物聯(lián)網(wǎng)應用。所謂物聯(lián)網(wǎng)，就是“萬物互聯(lián)”，所謂海量物聯(lián)網(wǎng)，指的是每平方公里至少有100萬臺設備無時無刻不在連接。海量物聯(lián)網(wǎng)的應用場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、實體基礎設施、智能家居、遠程監(jiān)控、信標和聯(lián)網(wǎng)購物，如圖3所示。海量物聯(lián)網(wǎng)是5G相比于前幾代一個全新的應用領域。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)會是一個全新的時代，當全球完全物聯(lián)網(wǎng)化之后，也許真的會出現(xiàn)“地球村”，足不出戶便能完成一天的任務，隨意通過無人機和VR技術欣賞到世界各地的景象。不僅如此，未來醫(yī)生可以通過機械臂對距離較遠的緊急病患進行手術，它的視覺通信和操作通信都離不開延遲在1ms以內(nèi)的5G線路。隨著5G的普及與應用市場的不斷發(fā)展，空間上的距離不再能夠限制人類活動，也可以大大提高虛擬世界與現(xiàn)實世界的聯(lián)系。

參考文獻：

[1]賈世琦.移動通信網(wǎng)絡發(fā)展[J].通訊世界，2017（19）：68-69.

[2]張輝輝，胡記文，李婷君.移動通信發(fā)展史綜述[J].電子制作，2013（24）：114.

[3]遲偉強.移動通信技術發(fā)展及應用探析[J].信息通信，2014（01）：253.

[4]張傳均，陳陽.第三代移動通信系統(tǒng)的無線傳輸技術的分析[J].電子制作，2013（11）：135.

[5]陶崗.第四代移動通信系統(tǒng)架構(gòu)及關鍵技術[J].信息與電腦（理論版），2018（21）：151-152.

[6]濮贊成.第五代移動通信技術應用開發(fā)研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2018，8（14）：117-118.

[7]王俊. 稀疏碼多址接入技術研究[D].北京郵電大學，2016.

[8]張鎖興，陶濤.Massive MIMO關鍵技術進展[J].信息通信，2018（11）：236-238.

[9]Harsh Verdhan Singh，Shrivishal Tripathi. Compact UWB MIMO antenna with cross‐shaped unconnected ground stub using characteristic mode analysis[J]. Microwave and Optical Technology Letters，2019，61（7）.

[10]Networks - Telecommunications; Studies from University of Liverpool Reveal New Findings on Telecommunications （Fast Iterative Semi-blind Receiver for Urllc In Short-frame Full-duplex Systems With Cfo）[J]. Computers， Networks & Communications，2019.

[11]張博.面向5G的毫米波技術應用分析[J].數(shù)字通信世界，2019（03）：63.

[12]鐘旻.毫米波在5G應用中的關鍵技術[J].數(shù)字通信世界，2019（01）：1-4.

[13]趙芳菲.面向5G的低時延高可靠通信關鍵技術的研究與仿真[D].北京郵電大學，2018.

[14]翟冠楠，李昭勇5G無線通信技術概念及相關應用[J].電信網(wǎng)技術，2013（9）.

[15]達涌.5G將至，車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展步入快車道[J].中國無線電，2019（02）：46-47.

[16]張云勇.5G將全面使能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[J].電信科學，2019，35（01）：1-8.