5G通信技术的突破及面临的挑战

        摘要：在5G名词中，G是英文单词“generation”的缩写，5G即第五代移动通信技术。5G通信技术并非横空出世，它的出现一方面是基于4G技术的演进，另一方面是新技术研发的结果。与上一代4G相比，5G不仅仅在速度方面得到提升，更是实现了质的飞跃。本文将从关键技术创新以及市场商用所面临的挑战等方面来阐述5G的发展。

　　为实现5G百倍提速的要求，可以通过大幅度的加大带宽实现，而优质的带宽资源存在于高频率段。但增大带宽将面临一些列的技术难题，毫米波、微基站、高阶MIMO、波束成形、双全工传输等技术都因此而产生。在5G时代，大规模天线阵列，毫米波技术，新网络架构和新的空中接口设计的关键技术核心主要基于4G网络技术，大都能成倍提升性能。5G是技术的迭代升级和再发展，也可以说，如果没有3G、4G技术的发展，就没有5G的产生，5G技术的发展是技术积累和革命性技术创新的结果。

　　5G的技术优势

　　对于5G技术而言，相比于4G特点突出。5G不是简单地强调峰值速率，而是考虑峰值速率、用户使用率、频谱利用率、移动性、延迟、连接密度、网络能效和流量密度等多种因素。根据3GPP的定义，5G具有高性能、低延迟和高容量的特性，这些特点主要体现在毫米波，微基站，MassiveMIMO，波束成形，双全双工传输等技术上。

　　1. 毫米波

　　众所周知，5G大大提升了网络传输速度。提升传输速度有两个方法：提高相应频谱的利用率，增加频谱带宽。显然，与提高频谱利用率相比第二种方法更简单直接。但现在常用的5GHz频段非常拥挤，而且频谱带宽仅仅只有100MHz左右，为寻找优质频谱，技术厂商们想到去高频电磁波段使用毫米波来解决问题。

　　毫米波是指波长为毫米级的电磁波，其频率大约在24GHz和300GHz之间，相应的波长在大约1mm和10mm之间。在毫米波频段中，28GHz频段是最有希望使用在5G上的，其可用频谱带宽达到了1GHz，毫米波之前一直应用在军用雷达、卫星通信上，在移动通信史上还是首次被使用。当然，毫米波最大的缺点就是穿透力差、衰减大，因此要让毫米波频段下的5G信号在高楼林立的环境下传输并不容易，这时候需要铺设更多的微型基站来解决。

　　2. 微型基站

　　毫米波的频率大、波长短、传输速度快，但空中传输信号衰减大、覆盖范距离短，传输过程中更容易被障碍物阻挡，进而影响信号传输质量。然而，与5GHz以下的传统频带相比，毫米波的优点在于天线的物理尺寸可以相对较小，因为天线的物理尺寸与频带的波长成比例。因此，可以采用部署更小的基站的方法来解决信号衰减的问题。未来5G通信不再依赖大型基站的架构，数以千计的小型、微型基站将覆盖城市的高楼大厦形成密集的网络群，每个基站还可以从其他基站接收信号，并在任何位置向用户发送数据。此外，小型基站不仅比传统基站规模小，而且大大减少了功耗。

　　3. Massive MIMO

　　MIMO的意思即是多输入和多输出。实际上这种技术在现有的4G基站上已经得到了应用，现有的4G基站只有十几个天线，但5G基站可以支持数百个天线。这些天线可以通过MassiveMIMO技术形成大规模天线阵列，这意味着基站可以同时发送和接收来自更多用户的信号。从而将移动网络的容量增加数十倍或更多。应用MIMO技术可以执行一对多并行通信，并且每对天线独立地发送一个信道，使得速率可以成倍增长，同时同频地提供服务从而大幅提升系统容量以及系统覆盖范围。

　　4. 波束成形

　　Massive MIMO可以实现多输入多输出，但同时也面临信号间的相互干扰的问题。波束形成可以解决这个问题，它可以使天线阵列发射的每个电磁波的空间相互抵消或增强，形成窄光束而不是全向发射。有限的能量集中在特定的传输方向上，不仅传输距离更远，而且避免了信号干扰。

　　波束成行不仅可以在特定方向上传播无线信号，还可以提高频谱利用率。通过它我们可以同时从多个天线发送更多信息;在大规模天线基站中，我们甚至可以通过信号处理算法计算信号传输的最佳路径，并最终计算出移动终端的位置。因此，波束形成可以解决毫米波信号被障碍物阻挡并且长距离衰减的问题。

　　5. 全双工

　　全双工技术意味着设备的发送器和接收器占用相同的频率资源并同时工作，因此通信的两端可以同时使用相同的频率。突破现有的频分双工(FDD)和时分双工(TDD)模式，这是通信节点实现双向通信的关键之一，也是5G所需的高吞吐量和低延迟的关键技术。

　　5G商用面临的挑战

　　从技术来看，5G技术已经成熟，从实验室到运营商，再到大规模的商用部署只是时间问题。从成本来看，若要大规模推进5G商业化，必须建立更多的大中型基站及密集的微型基站群，而5G通信的设备部署成本是极其昂贵的。如此下来，运营商前期的投入大、利润低、加大了运营风险。从消费者角度来看，虽然5G相比于4G在通信速度、应用场景上都有质的飞跃，但在使用手机、电脑和其他终端时，消费者不会发现5G技术与4G技术之间存在实质性差异，这是一个可能会限制5G发展前景的重要因素。因为体验做不好，也就意味着没有更多的消费者去做消费升级，因此可能造成5G的市场占有率不足。

　　结语

　　从本世纪初的2G到2010年左右推出的4G，到2020年计划的5G商业化，通信世界的发展几乎每10年就是一个时代。但通信行业本身也是一个基础设施行业，承担着为各应用场景提供通道的角色。所以5G技术要大规模推广，则必须是技术与应用成本的双成熟。5G通信是大势所趋，推进过程虽会有磕磕绊绊，但终会到来。