【摘要】根據(jù)國際電信聯(lián)盟專家的預(yù)測，描述了5G時代移動互聯(lián)網(wǎng)的新形態(tài)，從信息論基本原理得出了更大帶寬是5G提速的核心手段的結(jié)論，以此為起點推演出5G時代將采用的毫米波、微基站、大規(guī)模MIMO、波束賦形等技術(shù)，并對中國引領(lǐng)全球5G市場的前景進行了分析。
【關(guān)鍵詞】5G 毫米波 微基站 大規(guī)模MIMO 波束賦形
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2015.09.000 中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010(2015)09-0000-00
引用格式：張弛. 5G技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)分析[J].移動通信, 2015,39(9): 00-00.
互聯(lián)網(wǎng)改變了世界，移動互聯(lián)網(wǎng)重新塑造了生活，“在家不能沒有網(wǎng)絡(luò)，出門不能忘帶手機”已成為很多人的共同感受。人們對移動互聯(lián)網(wǎng)的要求是更高速、更便捷、更強大、更便宜，這種沒有止境的需求促使著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進，技術(shù)體制的更新?lián)Q代也隨之越來越快。很多用戶剛剛踏入4G的門檻，按照國際電信聯(lián)盟關(guān)于2020年的規(guī)劃，5G時代很快就要來到了[1]。
1 5G時代的展望
4G雖然比3G更快，但現(xiàn)階段的速率提升不過10倍左右，應(yīng)用模式也沒有根本性的變化，其實并沒有給用戶帶來太深刻的感受。但是，5G的綜合性能將會比4G提升千倍[2]，在這種超高速移動網(wǎng)絡(luò)的支撐下，將會誕生出許多全新的應(yīng)用，會徹底改變移動互聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)，那將是移動通信的一場革命。
5G速率將高達10Gbps，由于速率極快，高清視頻即點即播，“緩沖等待”將成為歷史。遠程互動的3D虛擬現(xiàn)實游戲?qū)⑴d起，畫質(zhì)精美操控順暢，會帶給用戶身臨其境的全新感受。人均月流量大約有36TB，用戶不必擔心資費問題，雖然流量增加了上千倍，但總體資費并不會提高[3]。
5G的入網(wǎng)設(shè)備將會大幅度增加，“萬物互聯(lián)”會成為5G的時代特征，鏡框、花盆、腰帶、冰箱、魚缸、飯碗、茶杯、沙發(fā)……所有能提供服務(wù)的設(shè)備都會入網(wǎng)，并可按需求進行智能控制[4]。智能樓宇、智能家居、智能汽車、智能交通……智能移動互聯(lián)網(wǎng)將徹底改變你的生活方式。
健康領(lǐng)域也會發(fā)生革命性變化，手環(huán)將不再只是測心律血壓和跑步計數(shù)，而會成為身體健康指標的全面監(jiān)控儀，實時動態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)將會自動上傳匯集，不僅可用于病情診斷，還可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對身體狀態(tài)進行分析和預(yù)測，提供精準的醫(yī)學(xué)建議。除了能進行信息采集和處理外，手環(huán)還可以進行介入式治療，甚至包括治療癌癥。
5G的最大特點并不是網(wǎng)速的進步，而是移動互聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、大數(shù)據(jù)技術(shù)三者結(jié)合產(chǎn)生的爆炸效應(yīng)，這將是對傳統(tǒng)工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)的一次顛覆性革命。
2 5G的技術(shù)路線
5G的核心技術(shù)并沒有被國際電信機構(gòu)所確定，尚處在研究和探索階段，但移動通信的發(fā)展有著內(nèi)在的規(guī)律性，其核心是以信息論為基礎(chǔ)的無線通信理論，從理論出發(fā)并結(jié)合需求進行分析，并不難探尋出5G技術(shù)的發(fā)展方向。
高速是5G的首要特征，根據(jù)香農(nóng)的信道理論，提速最根本的方法就是增加帶寬，特別是成百上千倍的提速必須依賴更大的帶寬。提高頻率利用率雖然也是個辦法，但其潛力是很有限的，而伴隨著帶寬提高而帶來的等比例提速則是立竿見影的，大幅度增加帶寬才是提速的王道。
要大幅度增加帶寬則必須使用更高的頻段，4G的頻率在2GHz左右，5G頻率會更高。例如韓國積極推動6GHz以上頻段為未來IMT頻段，開發(fā)高頻段系統(tǒng)[5]，俄羅斯專家甚至提出了80GHz頻段的設(shè)想[6]。
5G的頻譜范圍正處于討論之中，這是世界無電線大會（WRC）的議題，雖然具體的數(shù)據(jù)還沒有確定下來，但頻譜更高帶寬更大的趨勢是明確的。頻率高了則波長變短，這就帶來了毫米波技術(shù)。
2.1 毫米波技術(shù)
毫米波常用在雷達和衛(wèi)星領(lǐng)域，一般不用于移動通信領(lǐng)域，主要原因是隨著波長變短，無線電波傳播的直線性會增強。例如軍隊使用的無線電接力通信就是毫米波，它并不支持“動中通”，只能駐車后工作，而且必須精細調(diào)整天線的角度，使其電波的輻射方向正對著對方，否則就無法通信，直線傳播是毫米波通信必須解決的問題。
手機是移動使用的，不能打電話時還舉著手機對準基站的方向，雖然非正對方向也有信號，但強度會明顯衰弱，如果不做處理的話，使用體驗就會下降。
毫米波的繞射和穿透也是問題，在基站信號不能直達的樓房陰影處和大樓內(nèi)部，信號就會非常微弱，這些問題都必須解決。
2.2 微基站技術(shù)
5G時代的入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量會呈爆炸性的增長，單位面積內(nèi)的入網(wǎng)設(shè)備可能會增至千倍，若延續(xù)以往的宏基站覆蓋模式，即使基站的帶寬再大也無力支撐，再加上前述的穿透和繞射能力下降的原因，導(dǎo)致基站微型化的趨勢成為了必然。
基站微型化則設(shè)置密度加大，為避免基站之間的頻譜互擾，基站的輻射功率譜就會降低，這使得手機的遠近效應(yīng)不再明顯，手機開機時的功率控制步驟會簡化，而且手機的輻射功率也會降低，在相同能量的情況下待機時間會增加。
微基站數(shù)量大幅度增加后，傳統(tǒng)的鐵塔和樓頂架設(shè)方式將會擴展，路燈桿、廣告燈箱、樓宇內(nèi)部的天花板，都將是微基站架設(shè)的理想地點[7]。
2.3 大規(guī)模MIMO
根據(jù)天線理論，天線長度應(yīng)與波長成正比，大約在1/10~1/4之間，當前手機的天線長線大約在幾厘米左右。而5G頻率在提升幾十倍后，相應(yīng)的手機天線長度也會降低到以前的幾十分之一，會變成毫米級的微型天線。
多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個波長以上，手機的面積很小，如果是傳統(tǒng)的幾厘米長的天線，那多天線陣列是難以設(shè)置的。而隨著天線長度的降低，特別是5G時代的毫米尺寸天線，給大規(guī)模MIMO技術(shù)的實現(xiàn)帶來了可能。
以往的多天線技術(shù)更多地應(yīng)用在抗干擾通信方面，使用多部天線接收同一信號，利用不同路徑干擾的非相關(guān)性，在接收端進行合并處理，通過提高信噪比的方法來實現(xiàn)抗干擾通信。而手機多天線所接收信號的路徑差異性不大，干擾的非相關(guān)性也不強，因此不太會用于抗干擾方面，而是會用在提高傳輸速率方面。
大規(guī)模MIMO其實就是基站與手機之間有很多對的信道并行通信，每一對天線都獨立傳送一路信息，經(jīng)匯集后可成倍提高速率。5G更高頻率帶來天線尺寸縮短和更大帶寬帶來頻率復(fù)用，這兩點的變化為大規(guī)模MIMO的實現(xiàn)提供了技術(shù)實現(xiàn)的前提[8]。
2.4 波束賦形技術(shù)
中國主導(dǎo)的3G國際標準TD-SCDMA有六大技術(shù)特點，其中有一項就是智能天線，在基站上布設(shè)天線陣列，通過對射頻信號相位的控制，使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄，并指向它所提供服務(wù)的手機，而且能根據(jù)手機的移動而轉(zhuǎn)變方向。
由全向的信號覆蓋變?yōu)榱司珳手赶蛐苑⻊?wù)，這種新形式的無線電波束不會干擾到其它方向的波束，從而可以在相同的空間中提供更多的通信鏈路，這種充分利用空間的無線電波束技術(shù)是一種空間復(fù)用技術(shù)，這種技術(shù)可以極大地提高基站的服務(wù)容量[9]。
遺憾的是這項技術(shù)并沒在3G時代得到應(yīng)用，但在5G入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量成百上千倍增加的情況下，這種波束賦形技術(shù)所能帶來的容量增加就顯得非常有價值，波束賦形技術(shù)很可能成為5G的關(guān)鍵性技術(shù)之一[10]。
因為新增了移動用戶位置的方向角參數(shù)，波束賦形技術(shù)不僅能大幅度增加容量，還可大幅度提高基站定位精度，并因此而擴展出非常多的定位增值服務(wù)。
2.5 同時同頻全雙工
手機是典型的雙工通信設(shè)備，常用的有頻分、時分和碼分等信道復(fù)用方式，而同時同頻全雙工技術(shù)與這些傳統(tǒng)的方式都不同，它是通過對信號收發(fā)信號的處理，使得雙工通信建立在同時同頻的基礎(chǔ)上，理論上可以提高一倍的信道容量[11]。
前面已經(jīng)分析過，通過提高帶寬的方式可等比例地提高信道容量，是最直接最有效的提速方式，但這是用大量的帶寬資源換來的，在技術(shù)上并沒有創(chuàng)新。而通過對發(fā)射信號的抵消處理，可在相同頻率同時接收更加微弱的信號，雖然這種方式只能提速一倍，但卻是意義重大的原始創(chuàng)新。
同時同頻全雙工技術(shù)若要實用化，對發(fā)射信號的衰減要達到120dB，而現(xiàn)在實驗室的記錄是90dB，這30dB的差距就是1 000倍的衰減量，而且越往后做難度就越大。這項技術(shù)雖然理論成立，但距離實用化還尚有距離，估計在5G時代前期應(yīng)用不上。但不可否認的是，這是一項具有突破性的很有潛力的技術(shù)，非常值得研究和期待。
2.6 綜合分析
任何更新?lián)Q代的關(guān)鍵性技術(shù)，都必須經(jīng)歷過多年的研究，按規(guī)劃還有5年就要進入5G時代了，不太可能突然出現(xiàn)一個全新的技術(shù)并被吸納在5G的國際標準中，考察5G的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)還得從成熟技術(shù)中尋找答案。
在傳統(tǒng)的宏基站大覆蓋的情況下提速是非常困難的，20%的頻譜利用率的提升都是了不起的成就，而在5G時代的千倍提速要求面前，這種內(nèi)部挖潛的方法是行不通的，只有通過大幅度的加大帶寬才有可能。
加大帶寬是起點，由此而產(chǎn)生的毫米波、微基站、大規(guī)模MIMO等都是順理成章的技術(shù)趨勢，只要把基站做得足夠小，其服務(wù)范圍變窄了，單個用戶獲得的資源就能足夠大，速度就可以提高到足夠快。
所以5G的任何一項關(guān)鍵技術(shù)都不會有革命性的突破，其上千倍綜合能力的提升，更多地是來自移動網(wǎng)絡(luò)的重新布局
3 中國試圖引領(lǐng)世界
1997年4月，國際電信聯(lián)盟向世界各國發(fā)出征集函，征集第三代移動通信技術(shù)標準。中國為了打破在國際電信標準上沒有話語權(quán)，只能做世界工廠的困局，遞交了TD-SCDMA標準，經(jīng)過舉國的努力，最終被國際電信聯(lián)盟吸納為3G技術(shù)標準之一，實現(xiàn)了歷史性突破，從此走上了力爭主導(dǎo)國際標準的道路。
進入4G時代后，分別有LTEFDD和TD-LTE兩個國際技術(shù)標準，中國政府選定了TD-LTE，并早于LTE FDD一年發(fā)放了牌照，目的就是為了發(fā)揮相對優(yōu)勢，在引領(lǐng)國際電信業(yè)方面占據(jù)更大的主動。如果不采取這種策略，而是在歐洲相對更有優(yōu)勢的LTE FDD標準后面跟跑，就會越追越追不上。
中國的電信業(yè)實力很強大，在全球四大電信設(shè)備商中中國企業(yè)就占了2家，華為第一中興第四，互聯(lián)網(wǎng)商也在飛速進步，聯(lián)想、小米等實力不容小覷，同時中國還是全球第一大消費市場。
掌控著全球最龐大的企業(yè)集團和最巨大的消費市場，這是中國政府具備的引領(lǐng)世界的硬實力，原來的TDD和FDD的份額之比是8:2，自從中國政府布局支持TD-LTE后，兩者的份額差距快速縮小。
2013年初，在政府部門的大力支持下，成立了面向5G移動通信研究與發(fā)展的IMT-2020推進組，明確了5G發(fā)展遠景、業(yè)務(wù)、頻譜與技術(shù)需求，研究5G主要技術(shù)發(fā)展方向及使能技術(shù)，形成5G移動通信技術(shù)框架，協(xié)同產(chǎn)學(xué)研用各方力量，積極融入國際5G發(fā)展進程，為2015年后全面參與5G移動通信技術(shù)標準制定打下堅實的技術(shù)基礎(chǔ)[8]，中國是全球公認的推進5G最積極的國家之一。
中國在5G事業(yè)的提前布局，使之有望在未來的信息社會中更加深入地引領(lǐng)世界，而引領(lǐng)者會得到更多的市場回報，從而惠及到所有的本國公民，這個前景非常值得我們期待。
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