5G是什么？到底有什么優(yōu)勢(shì)？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。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(xiàn)了數(shù)字化語音通信；

第三代是人們熟知的3g技術(shù)，以多媒體通信為特征；

第四代是正在鋪開的4g技術(shù)，其通信速率大大提高，標(biāo)志著進(jìn)入無線寬帶時(shí)代。

簡(jiǎn)單來看，5G的速度將會(huì)更快，而功耗將低于4G，從而帶來一系列新的無線產(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(shè)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(shè)備價(jià)格也降低1000倍，成本是決定運(yùn)營(yíng)商在數(shù)據(jù)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的兩種不同觀點(diǎn)

有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，5G將會(huì)是全新技術(shù)。這個(gè)觀點(diǎn)的代表者為華為無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品線CMO楊超斌，在他看來，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，這也意味著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須提升，5G對(duì)網(wǎng)路的需求將與4G截然不同；雖然現(xiàn)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(shù)技術(shù)專家更傾向于以下觀點(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(fù)，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、解決問題的方式、部署的辦法，實(shí)現(xiàn)的能力都不同，但是沒有上一代技術(shù)的根基，或者說下一代沒有對(duì)上一代的技術(shù)傳承，實(shí)現(xiàn)革命性的升級(jí)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(xiàn)有技術(shù)的新組合，是4G技術(shù)的再演進(jìn)。

為什么要強(qiáng)調(diào)“再”？因?yàn)?G LTE的后三個(gè)字母就是長(zhǎng)期演進(jìn)的意思，5G應(yīng)是在4G基礎(chǔ)上的再演進(jìn)。關(guān)于技術(shù)演進(jìn)的觀點(diǎn)，科學(xué)松鼠會(huì)會(huì)員通信專業(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)的觀點(diǎn)。

奧卡姆剃刀的雙駝峰理論

奧卡姆剃刀認(rèn)為，一項(xiàng)新技術(shù)概念出現(xiàn)后，在業(yè)界會(huì)出現(xiàn)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(xiàng)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(xiàn)方面還存在著很多問題，或者因成本原因而根本無法量產(chǎn)。

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

按照國(guó)際電信聯(lián)盟關(guān)于2020年的規(guī)劃，5年后就要全面進(jìn)入5G了，而到現(xiàn)在核心技術(shù)體系還沒有確立?；仡?G技術(shù)發(fā)展史，國(guó)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(tái)期持續(xù)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(tái)期長(zhǎng)達(dá)15年，可剛成熟4G時(shí)代就來臨了。按照“雙駝峰規(guī) 律”，5年后將在全球推廣使用的技術(shù)，應(yīng)在2010年左右就迎來第一個(gè)駝峰，而不會(huì)在2020前的兩三年橫空出世，然后迅速被國(guó)際電信聯(lián)盟確定為全球的 5G標(biāo)準(zhǔn)，這違反了一般的技術(shù)發(fā)展規(guī)律，不太可能成真。

2、沒有3G、4G技術(shù)的發(fā)展就沒有5G

實(shí)質(zhì)上，在5G研究上大部分研發(fā)機(jī)構(gòu)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(xù)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4G技術(shù)的演進(jìn)，只有通過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(shì)。5G時(shí)代對(duì)大規(guī)模天線陣列、毫米波技術(shù)、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、新型空口設(shè)計(jì)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，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(jié)合Pre5G的硬件處理能力，讓運(yùn)營(yíng)商具有了從4G到5G的平滑升級(jí)能力，4G到Pre5G這個(gè)階段，終 端不用更換，而從Pre5G到5G，基站設(shè)備也可以繼續(xù)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(jí)而來，自然也是一種技術(shù)的積累和演進(jìn)，也可以說沒有3G、4G技術(shù)的發(fā)展就沒有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(jié)果，當(dāng)然也要求有革命性創(chuàng)新才能實(shí)現(xiàn)演進(jìn)的目標(biāo)，另一方面也是人類通信需求快速提高的必然要求。

反過來說，之前5G遲遲沒普及，一是技術(shù)達(dá)不到，二是還沒有應(yīng)用的需求出現(xiàn)。現(xiàn)在有了需求，才有了5G。什么需求？未來的網(wǎng)絡(luò)將會(huì)面對(duì)：1000倍的數(shù)據(jù)容量增長(zhǎng)，10到100倍的無線設(shè)備連接，10到100倍的用戶速率需求，10倍長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間需求等等。坦白地講，可能未來五六年4G網(wǎng)絡(luò)或許將無法滿足這些需求，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(guó)通過3G和4G時(shí)代的艱苦奮斗，我們有理由相信我國(guó)的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的提升也為5G布局打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，我國(guó)從以往被動(dòng)接受技術(shù)變?yōu)殚_始輸出技術(shù)，會(huì)有機(jī)會(huì)發(fā)展成為全球5G技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用服務(wù)的領(lǐng)先國(guó)家之一，從跟隨到引領(lǐng)，中國(guó)通信業(yè)有機(jī)會(huì)在5G時(shí)代學(xué)習(xí)中國(guó)高鐵實(shí)現(xiàn)彎道超車。三大運(yùn)營(yíng)商、華為、大唐、中興等中國(guó)企業(yè)對(duì)5G研發(fā)的投入由來已久，并走在世界前列。

二、5G到底有哪些優(yōu)勢(shì)？

對(duì)于數(shù)消費(fèi)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(dá)幾十Gbps），例如你可以在一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影，而4G LTE可能要10分鐘。也正是因?yàn)檫@一得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，業(yè)界普遍認(rèn)為5G將在無人駕駛汽車、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(xiàn)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，隨著連接到無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量的增加，頻譜資源稀缺的問題日漸突出。至少就現(xiàn)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的體驗(yàn)。

那么5G提供的幾十個(gè)Gbps峰值速度如何實(shí)現(xiàn)呢？

眾所周知，無線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）就是通過第二種方法 來提升速率，以28GHz頻段為例，其可用頻譜帶寬達(dá)到了1GHz，而60GHz頻段每個(gè)信道的可用信號(hào)帶寬則為2GHz。

在移動(dòng)通信的歷史上，這是首次開啟新的頻帶資源。在此之前，毫米波只在衛(wèi)星和雷達(dá)系統(tǒng)上被應(yīng)用，但現(xiàn)在已經(jīng)有運(yùn)營(yíng)商開始使用毫米波在基站之間做測(cè)試。

當(dāng)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?yàn)楹撩撞ǖ念l率很高，波長(zhǎng)很短，這就意味著其天線尺寸可以做得很小，這是部署小基站的基礎(chǔ)。

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

因?yàn)轶w積的大幅縮小，我們?cè)O(shè)置可以在250米左右部署一個(gè)小基站，這樣排列下來，運(yùn)營(yíng)商可以在每個(gè)城市中部署數(shù)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(hào)并向任何位置的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)然，你大可不必?fù)?dān)心功耗問題，小基站不僅在規(guī)模上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大基站，功耗上也大大縮小了。

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

3.Massive MIMO

現(xiàn)有的4G基站只有十幾根天線，但5G基站可以支持上百根天線，這些天線可以通過Massive MIMO技術(shù)形成大規(guī)模天線陣列，這就意味著基站可以同時(shí)從更多用戶發(fā)送和接收信號(hào)，從而將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的容量提升數(shù)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(yīng)用。但到目前為止，Massive MIMO僅在實(shí)驗(yàn)室和幾個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中進(jìn)行了測(cè)試。

隆德大學(xué)教授Ove Edfors曾指出，“Massive MIMO開啟了無線通訊的新方向——當(dāng)傳統(tǒng)系統(tǒng)使用時(shí)域或頻域?yàn)椴煌脩糁g實(shí)現(xiàn)資源共享時(shí)，Massive MIMO則導(dǎo)入了空間域（spaTIal domain）的途徑，其方式是在基地臺(tái)采用大量的天線以及為其進(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(xiàn)商用的關(guān)鍵技術(shù)，但是多天線也勢(shì)必會(huì)帶來更多的干擾，而波束成形就是解決這一問題的關(guān)鍵。

4.波束成形

Massive MIMO的主要挑戰(zhàn)是減少干擾，但正是因?yàn)镸assive MIMO技術(shù)每個(gè)天線陣列集成了更多的天線，如果能有效地控制這些天線，讓它發(fā)出的每個(gè)電磁波的空間互相抵消或者增強(qiáng)，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(yuǎn)了，而且還避免了信號(hào)的干擾，這種將無線信號(hào)（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(shì)不僅如此，它可以提升頻譜利用率，通過這一技術(shù)我們可以同時(shí)從多個(gè)天線發(fā)送更多信息；在大規(guī)模天線基站，我們甚至可以通過信號(hào)處理算法來計(jì)算出信號(hào)的傳輸?shù)淖罴崖窂?，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(hào)被障礙物阻擋 以及遠(yuǎn)距離衰減的問題。

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(shè)備的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(xiàn)有的頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）模式，這是通信節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)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)也面臨著不小的挑戰(zhàn)，根據(jù)《移動(dòng)通信》之前發(fā)布的資料顯示，主要有一下三大挑戰(zhàn)：

1.電路板件設(shè)計(jì)，自干擾消除電路需滿足寬頻（大于100MHZ）和多MIMO（多于32天線）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(shè)計(jì)問題，比如編碼、調(diào)制、同步、檢測(cè)、偵聽、沖突避免、ACK等，尤其是針對(duì)MIMO的物理層優(yōu)化。

3.對(duì)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(duì)現(xiàn)有幀結(jié)構(gòu)和控制信令的優(yōu)化問題。

因此，盡管5G的勢(shì)頭遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了之前的4G，但5G的未來仍充滿了不確定性，現(xiàn)在我們需要等待的是這些技術(shù)從實(shí)驗(yàn)階段走向?qū)嵱谩?/p>

（電子發(fā)燒友編輯整理）