5G是什么？到底有什么優(yōu)勢？看完徹底明白了

在3G、4G和5G等名詞中，G是英文單詞“generaTIon”（第x代）的縮寫(xiě)。因此，5G就是第五代移動(dòng)通信技術(shù)。

一、5G的發(fā)展歷程關(guān)鍵點(diǎn)

在移動(dòng)通信領(lǐng)域：

第一代是模擬技術(shù)；

第二代實(shí)現了數字化語(yǔ)音通信；

第三代是人們熟知的3g技術(shù)，以多媒體通信為特征；

第四代是正在鋪開(kāi)的4g技術(shù)，其通信速率大大提高，標志著(zhù)進(jìn)入無(wú)線(xiàn)寬帶時(shí)代。

簡(jiǎn)單來(lái)看，5G的速度將會(huì )更快，而功耗將低于4G，從而帶來(lái)一系列新的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品。中移動(dòng)副總裁李正茂曾經(jīng)發(fā)言要求5G時(shí)代的電信設備大幅度降價(jià)：“4G到5G時(shí)代，單位比特的傳輸成本降低了1000倍，那么我們也希望電信設備價(jià)格也降低1000倍，成本是決定運營(yíng)商在數據時(shí)代能否盈利的關(guān)鍵。”

1、5G其實(shí)并不是全新科技

關(guān)于5G的兩種不同觀(guān)點(diǎn)

有一種觀(guān)點(diǎn)認為，5G將會(huì )是全新技術(shù)。這個(gè)觀(guān)點(diǎn)的代表者為華為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品線(xiàn)CMO楊超斌，在他看來(lái)，4G再怎么演變也不會(huì )變成5G，5G將會(huì )是一個(gè)全新技術(shù)。

5G不只是一次技術(shù)的更新，更是非常大的跳躍性發(fā)展、是一個(gè)變革，這也意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )架構必須提升，5G對網(wǎng)路的需求將與4G截然不同；雖然現在使用的4G LTE技術(shù)仍會(huì )不斷演進(jìn)，但4G再怎么演變也不會(huì )成為5G，5G將會(huì )是全新技術(shù)。

但大多數技術(shù)專(zhuān)家更傾向于以下觀(guān)點(diǎn)：5G就是4G技術(shù)的必然演進(jìn)——既要演進(jìn)也要革命。

雖 然任何一代技術(shù)發(fā)展，都不可能是上一代技術(shù)的重復，如果新一代的技術(shù)和上一代技術(shù)是一樣，那還什么新一代，所以3G技術(shù)不同于2G，4G不同于3G，它的 技術(shù)原理、解決問(wèn)題的方式、部署的辦法，實(shí)現的能力都不同，但是沒(méi)有上一代技術(shù)的根基，或者說(shuō)下一代沒(méi)有對上一代的技術(shù)傳承，實(shí)現革命性的升級也是空中樓閣。

5G不是橫空出世個(gè)令人驚異的新技術(shù)，5G技術(shù)是現有技術(shù)的新組合，是4G技術(shù)的再演進(jìn)。

為什么要強調“再”？因為4G LTE的后三個(gè)字母就是長(cháng)期演進(jìn)的意思，5G應是在4G基礎上的再演進(jìn)。關(guān)于技術(shù)演進(jìn)的觀(guān)點(diǎn)，科學(xué)松鼠會(huì )會(huì )員通信專(zhuān)業(yè)教師奧卡姆剃刀有個(gè)通俗的雙駝峰理論，能很清晰解釋5G僅僅是一種技術(shù)演進(jìn)的觀(guān)點(diǎn)。

奧卡姆剃刀的雙駝峰理論

奧卡姆剃刀認為，一項新技術(shù)概念出現后，在業(yè)界會(huì )出現一個(gè)研究討論的高潮，這是第一個(gè)駝峰。

相關(guān)的學(xué)術(shù)論文會(huì )產(chǎn)為熱點(diǎn)，成堆的博士碩士依托這項新技術(shù)完成了畢業(yè)論文，雖然很熱鬧，但這僅僅局限在學(xué)術(shù)研討層面上，而在具體的技術(shù)實(shí)現方面還存在著(zhù)很多問(wèn)題，或者因成本原因而根本無(wú)法量產(chǎn)。

研究討論高潮逐漸降溫，這是第一個(gè)駝峰的下落期，接下來(lái)是低調務(wù)實(shí)的技術(shù)攻關(guān)，這個(gè)平臺期可能幾年也可能一二十年，當技術(shù)問(wèn)題都解決后，就會(huì )迎來(lái)商家量產(chǎn)和投入市場(chǎng)的熱潮，這就是第二個(gè)駝峰。

按照國際電信聯(lián)盟關(guān)于2020年的規劃，5年后就要全面進(jìn)入5G了，而到現在核心技術(shù)體系還沒(méi)有確立?；仡?G技術(shù)發(fā)展史，國際電信聯(lián)盟于1998年6月30日接收了3G技術(shù)提案，并迎來(lái)了第一個(gè)駝峰期，直到2009年1月7日，工業(yè)和信息化部正式發(fā)放了三張3G牌照，這才進(jìn)入到第二個(gè)駝峰， 平臺期持續了11年，特別是三張牌照之一的TD-SCDMA，直到2013年才真正成熟，平臺期長(cháng)達15年，可剛成熟4G時(shí)代就來(lái)臨了。按照“雙駝峰規 律”，5年后將在全球推廣使用的技術(shù)，應在2010年左右就迎來(lái)第一個(gè)駝峰，而不會(huì )在2020前的兩三年橫空出世，然后迅速被國際電信聯(lián)盟確定為全球的 5G標準，這違反了一般的技術(shù)發(fā)展規律，不太可能成真。

2、沒(méi)有3G、4G技術(shù)的發(fā)展就沒(méi)有5G

實(shí)質(zhì)上，在5G研究上大部分研發(fā)機構選擇的道路也是如此，兩條腿走路。

5G研發(fā)中提出兩條腿走路：一方面繼續推動(dòng)基于4G技術(shù)的演進(jìn)，一方面研發(fā)5G新技術(shù)，兩者兼顧。

在 5G時(shí)代的千倍提速要求面前，通過(guò)4G技術(shù)的演進(jìn)，只有通過(guò)大幅度的加大帶寬才有可能。加大帶寬是起點(diǎn)，由此而產(chǎn)生的毫米波、微基站、高階MIMO、波束 賦型等都是順理成章的技術(shù)趨勢。5G時(shí)代對大規模天線(xiàn)陣列、毫米波技術(shù)、新型網(wǎng)絡(luò )架構、新型空口設計的關(guān)鍵技術(shù)核心也大都是基于4G網(wǎng)絡(luò )技術(shù)延伸而來(lái)，大 都能成倍提升性能。以軟空口技術(shù)為例，這個(gè)技術(shù)結合Pre5G的硬件處理能力，讓運營(yíng)商具有了從4G到5G的平滑升級能力，4G到Pre5G這個(gè)階段，終 端不用更換，而從Pre5G到5G，基站設備也可以繼續使用。

圖：毫米波技術(shù)下的微基站

明白了5G就是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的基本定義就明白是從3G、4G升級而來(lái)，自然也是一種技術(shù)的積累和演進(jìn)，也可以說(shuō)沒(méi)有3G、4G技術(shù)的發(fā)展就沒(méi)有5G的產(chǎn)生。5G技術(shù)的演進(jìn)一方面是技術(shù)積累的必然結果，當然也要求有革命性創(chuàng )新才能實(shí)現演進(jìn)的目標，另一方面也是人類(lèi)通信需求快速提高的必然要求。

反過(guò)來(lái)說(shuō)，之前5G遲遲沒(méi)普及，一是技術(shù)達不到，二是還沒(méi)有應用的需求出現?，F在有了需求，才有了5G。什么需求？未來(lái)的網(wǎng)絡(luò )將會(huì )面對：1000倍的數據容量增長(cháng)，10到100倍的無(wú)線(xiàn)設備連接，10到100倍的用戶(hù)速率需求，10倍長(cháng)的電池續航時(shí)間需求等等。坦白地講，可能未來(lái)五六年4G網(wǎng)絡(luò )或許將無(wú)法滿(mǎn)足這些需求，所以5G就必須提前登場(chǎng)。

基于技術(shù)演進(jìn)的判斷，回顧我國通過(guò)3G和4G時(shí)代的艱苦奮斗，我們有理由相信我國的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的提升也為5G布局打下堅實(shí)的基礎，我國從以往被動(dòng)接受技術(shù)變?yōu)殚_(kāi)始輸出技術(shù)，會(huì )有機會(huì )發(fā)展成為全球5G技術(shù)、標準、產(chǎn)業(yè)和應用服務(wù)的領(lǐng)先國家之一，從跟隨到引領(lǐng)，中國通信業(yè)有機會(huì )在5G時(shí)代學(xué)習中國高鐵實(shí)現彎道超車(chē)。三大運營(yíng)商、華為、大唐、中興等中國企業(yè)對5G研發(fā)的投入由來(lái)已久，并走在世界前列。

二、5G到底有哪些優(yōu)勢？

對于數消費者而言，5G的價(jià)值在于它擁有比4g LTE更快的速度（峰值速率可達幾十Gbps），例如你可以在一秒鐘內下載一部高清電影，而4G LTE可能要10分鐘。也正是因為這一得天獨厚的優(yōu)勢，業(yè)界普遍認為5G將在無(wú)人駕駛汽車(chē)、VR以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

和4G相比，5G的提升是全方位的，按照3GPP的定義，5G具備高性能、低延遲與高容量特性，而這些優(yōu)點(diǎn)主要體現在毫米波、小基站、Massive MIMO、全雙工以及波束成形這五大技術(shù)上。

1.毫米波

眾所周知，隨著(zhù)連接到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備的數量的增加，頻譜資源稀缺的問(wèn)題日漸突出。至少就現在而言，我們還只能在極其狹窄的頻譜上共享有限的帶寬，這極大的影響了用戶(hù)的體驗。

那么5G提供的幾十個(gè)Gbps峰值速度如何實(shí)現呢？

眾所周知，無(wú)線(xiàn)傳輸增加傳輸速率一般有兩種方法，一是增加頻譜利用率，二是增加頻譜帶寬。5G使用毫米波（26.5-300GHz）就是通過(guò)第二種方法 來(lái)提升速率，以28GHz頻段為例，其可用頻譜帶寬達到了1GHz，而60GHz頻段每個(gè)信道的可用信號帶寬則為2GHz。

在移動(dòng)通信的歷史上，這是首次開(kāi)啟新的頻帶資源。在此之前，毫米波只在衛星和雷達系統上被應用，但現在已經(jīng)有運營(yíng)商開(kāi)始使用毫米波在基站之間做測試。

當然，毫米波最大的缺點(diǎn)就是穿透力差、衰減大，因此要讓毫米波頻段下的5G通信在高樓林立的環(huán)境下傳輸并不容易，而小基站將解決這一問(wèn)題。

2.小基站

上文提到毫米波的穿透力差并且在空氣中的衰減很大，但因為毫米波的頻率很高，波長(cháng)很短，這就意味著(zhù)其天線(xiàn)尺寸可以做得很小，這是部署小基站的基礎。

可以預見(jiàn)的是，未來(lái)5G移動(dòng)通信將不再依賴(lài)大型基站的布建架構，大量的小型基站將成為新的趨勢，它可以覆蓋大基站無(wú)法觸及的末梢通信。

因為體積的大幅縮小，我們設置可以在250米左右部署一個(gè)小基站，這樣排列下來(lái)，運營(yíng)商可以在每個(gè)城市中部署數千個(gè)小基站以形成密集網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)基站可以 從其它基站接收信號并向任何位置的用戶(hù)發(fā)送數據。當然，你大可不必擔心功耗問(wèn)題，小基站不僅在規模上要遠遠小于大基站，功耗上也大大縮小了。

除了通過(guò)毫米波廣播之外，5G基站還將擁有比現在蜂窩網(wǎng)絡(luò )基站多得多的天線(xiàn)，也就是Massive MIMO技術(shù)。

3.Massive MIMO

現有的4G基站只有十幾根天線(xiàn)，但5G基站可以支持上百根天線(xiàn)，這些天線(xiàn)可以通過(guò)Massive MIMO技術(shù)形成大規模天線(xiàn)陣列，這就意味著(zhù)基站可以同時(shí)從更多用戶(hù)發(fā)送和接收信號，從而將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的容量提升數十倍倍或更大。

MIMO（MulTIple-Input MulTIple-Output）的意思是多輸入多輸出，實(shí)際上這種技術(shù)已經(jīng)在一些4G基站上得到了應用。但到目前為止，Massive MIMO僅在實(shí)驗室和幾個(gè)現場(chǎng)試驗中進(jìn)行了測試。

隆德大學(xué)教授Ove Edfors曾指出，“Massive MIMO開(kāi)啟了無(wú)線(xiàn)通訊的新方向——當傳統系統使用時(shí)域或頻域為不同用戶(hù)之間實(shí)現資源共享時(shí)，Massive MIMO則導入了空間域（spaTIal domain）的途徑，其方式是在基地臺采用大量的天線(xiàn)以及為其進(jìn)行同步處理，如此則可同時(shí)在頻譜效益與能源效率方面取得幾十倍的增益。”

毋庸置疑，Massive MIMO是5G能否實(shí)現商用的關(guān)鍵技術(shù)，但是多天線(xiàn)也勢必會(huì )帶來(lái)更多的干擾，而波束成形就是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

4.波束成形

Massive MIMO的主要挑戰是減少干擾，但正是因為Massive MIMO技術(shù)每個(gè)天線(xiàn)陣列集成了更多的天線(xiàn)，如果能有效地控制這些天線(xiàn)，讓它發(fā)出的每個(gè)電磁波的空間互相抵消或者增強，就可以形成一個(gè)很窄的波束，而不是全向發(fā)射，有限的能量都集中在特定方向上進(jìn)行傳輸，不僅傳輸距離更遠了，而且還避免了信號的干擾，這種將無(wú)線(xiàn)信號（電磁波）按特定方向傳播的技術(shù)叫做波束 成形（beamforming）。

這一技術(shù)的優(yōu)勢不僅如此，它可以提升頻譜利用率，通過(guò)這一技術(shù)我們可以同時(shí)從多個(gè)天線(xiàn)發(fā)送更多信息；在大規模天線(xiàn)基站，我們甚至可以通過(guò)信號處理算法來(lái)計算出信號的傳輸的最佳路徑，并且最終移動(dòng)終端的位置。因此，波束成形可以解決毫米波信號被障礙物阻擋 以及遠距離衰減的問(wèn)題。

除此之外，最后要提到5G的另一大特色——全雙工技術(shù)。

5.全雙工

全雙工技術(shù)是指設備的發(fā)射機和接收機占用相同的頻率資源同時(shí)進(jìn)行工作，使得通信兩端在上、下行可以在相同時(shí)間使用相同的頻率，突破了現有的頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）模式，這是通信節點(diǎn)實(shí)現雙向通信的關(guān)鍵之一，也是5G所需的高吞吐量和低延遲的關(guān)鍵技術(shù)。

在同一信道上同時(shí)接收和發(fā)送，這無(wú)疑大大提升了頻譜效率。但是5G要使用這一顛覆性技術(shù)也面臨著(zhù)不小的挑戰，根據《移動(dòng)通信》之前發(fā)布的資料顯示，主要有一下三大挑戰：

1.電路板件設計，自干擾消除電路需滿(mǎn)足寬頻（大于100MHZ）和多MIMO（多于32天線(xiàn)）的條件，且要求尺寸小、功耗低以及成本不能太高。

2.物理層、MAC層的優(yōu)化設計問(wèn)題，比如編碼、調制、同步、檢測、偵聽(tīng)、沖突避免、ACK等，尤其是針對MIMO的物理層優(yōu)化。

3.對全雙工和半雙工之間動(dòng)態(tài)切換的控制面優(yōu)化，以及對現有幀結構和控制信令的優(yōu)化問(wèn)題。

因此，盡管5G的勢頭遠遠超過(guò)了之前的4G，但5G的未來(lái)仍充滿(mǎn)了不確定性，現在我們需要等待的是這些技術(shù)從實(shí)驗階段走向實(shí)用。

（電子發(fā)燒友編輯整理）