通信人的浅谈5G

kaiyanli_021

浅谈5G技术与发展分析
【摘要】在通信行业，移动技术更新换代，对于5G通信带宽需求越来越大，描述了5G时代移动互联网的新形态，进而推演出5G时代将采用的技术，并对中国引领全球5G发展的前景进行了分析。
【关键词】5G    网络   微基站    物联网  
An Analysis of 5G Technology and its Development
Li Kaiyan
(Well Branch, China Telecom Construction Co., Ltd, Baoding, Hebei 071000)
Abstract: In the communication field, as mobile technology is updated and renewable, the need for 5G communication broadband is greater and greater. This article describes the new form of mobile internet industry in 5G times. It deduces the new technology to be used in 5G times. It also analyzes the prospects of China leading the world in 5G development.
Keywords: 5G;network;Micro base station;Internet of things
互联网改变了世界，移动互联网重新塑造了生活。大家对移动互联网的要求是更高、更快、更便宜，这种没有止境的需求促使着移动互联网技术突飞猛进，技术的更新换代也越来越快。 “4G改变生活，5G改变社会。” 5G不仅仅是带宽的提升，而且是一次颠覆性升级，是人与人通信向万物互联的转变，已成为很多人的共同感受，5G将开启万物互联、无限遐想的新时代，整个社会对5G时代充满期待。
1   5G时代的展望
4G虽然比3G更快，但现阶段的速率提升不过10倍左右，应用模式也没有根本性的变化，其实并没有给用户带来太深刻的感受。但是，5G的综合性能将会比4G提升千倍，在这种超高速移动网络的支撑下，将会诞生出许多全新的应用，会彻底改变移动互联网的生态，那将是移动通信的一场革命。
5G速率将高达10Gbps，由于速率极快，高清视频即点即播，“缓冲等待”将成为历史。远程互动的3D虚拟现实游戏将兴起，画质精美操控顺畅，会带给用户身临其境的全新感受。人均月流量大约有36TB，用户不必担心资费问题，虽然流量增加了上千倍，但总体资费并不会提高[1]。
5G为企业和消费者提供了大量的新应用，包括增强现实（AR）、虚拟现实（VR）、物联网、无人驾驶汽车、增强型移动宽带等等。云原生战略，控制平面和用户平面的分离（CUPS）以及基于服务的5G架构在电信网络中呼声愈高。5G正在紧锣密鼓的开发中，不仅丰富了移动通信技术的经验，也丰富了整个通信技术生态系统的经验。它标志着很多垂直行业，如医疗、农业、汽车等的融合。网络架构已被修改，使其更简单、更高效。
5G的最大特点并不是网速的进步，而是移动互联网、智能传感器、大数据技术三者结合产生的爆炸效应，这将是对传统工业和互联网业的一次颠覆性革命。
2   5G的技术路线
高速是5G的首要特征，根据香农的信道理论，提速最根本的方法就是增加带宽，特别是成百上千倍的提速必须依赖更大的带宽。提高频率利用率虽然也是个办法，但其潜力是很有限的，而伴随着带宽提高而带来的等比例提速则是立竿见影的，大幅度增加带宽才是提速的王道。
2.1 毫米波技术
要大幅度增加带宽则必须使用更高的频段，4G的频率在2GHz左右，5G频率会更高。例如韩国积极推动6GHz以上频段为未来IMT频段，开发高频段系统，俄罗斯专家甚至提出了80GHz频段的设想[2]。5G的频谱范围频率高了则波长变短，这就带来了毫米波技术。
2.2 微基站技术
5G时代的入网设备数量会呈爆炸性的增长，单位面积内的入网设备可能会增至千倍，若延续以往的宏基站覆盖模式，即使基站的带宽再大也无力支撑，再加上前述的穿透和绕射能力下降的原因，导致基站微型化的趋势成为了必然。
基站微型化则设置密度加大，为避免基站之间的频谱互扰，基站的辐射功率谱就会降低，这使得手机的远近效应不再明显，手机开机时的功率控制步骤会简化，而且手机的辐射功率也会降低，在相同能量的情况下待机时间会增加。
微基站数量大幅度增加后，传统的铁塔和楼顶架设方式将会扩展，路灯杆、广告灯箱、楼宇内部的天花板，都将是微基站架设的理想地点[3]。
2.3  大规模MIMO
根据天线理论，天线长度应与波长成正比，大约在1/10~1/4之间，当前手机的天线长线大约在几厘米左右。而5G频率在提升几十倍后，相应的手机天线长度也会降低到以前的几十分之一，会变成毫米级的微型天线。
大规模MIMO其实就是基站与手机之间有很多对的信道并行通信，每一对天线都独立传送一路信息，经汇集后可成倍提高速率。5G更高频率带来天线尺寸缩短和更大带宽带来频率复用，这两点的变化为大规模MIMO的实现提供了技术实现的前提[4]。
2.4 引入AI技术
5G时代依靠人工进行参数配置和通过专家经验形成策略的方式越来越难以满足业务的动态变化要求，在5G网络中引入智能引擎，通过人工智能（AI）技术提升网络智能化水平，实现智能的策略生成和参数自动配置已经成为趋势。
AI赋能5G网络的典型场景有基于AI的5G波束赋形/移动负荷均衡、承载网流量预测和路径优化、虚拟化资源的智能动态分配、智能运维等。例如：基于AI的5G移动负载均衡（MLB）是利用射频指纹库，通过机器学习（ML）/深度学习（DL）算法对负荷提前预测，精选切换用户和目标小区，使得负荷快速降低并达到均衡状态，平均用户吞吐量提升10%以上。
AI技术的引入，将大幅提升5G网络的智能化水平，有效降低运维人力需求，提升5G系统的整体性能和综合效率。
3   5G发展分析
各国政府均将5G网络建设提升到信息化产业的战略高度，从全球5G试验进度来看，美国、韩国、日本、中国将成为首批部署5G网络的国家。我国在2017年11月确定将 3.3～3.6 GHz和 4.8～5 GHz中频段作为5G频段。
3.1 中国5G启动
我国三大运营商2017年分别在北京、上海等10多个城市启动5G试验。中国移动2017年6月提出服务化架构（SBA）正式纳入3GPP 5G核心网统一架构，2017年底制定切片分组网（SPN）企业标准，并与中兴通讯等厂家完成SPN第1阶段测试。中国电信2017年8月发布《中国电信5G创新示范网白皮书》。中国联通于2017年6月完成首个5G在3.5 GHz和1.8 GHz的双频试验，并联合中兴通讯在深圳开通5G NR外场测试。中国三大运营商的5G试验网已经全面启动，2018年将启动面向商用的大规模组网试验，2019年进入预商用阶段，2020年进入规模商用阶段。
在近期中国联通官方宣布，贵州省的首个联通5G基站在贵阳市开通，根据联通官方数据，这个5G基站在外场环境、100MHz带宽下，单台终端测试的5G网络峰值下行速率达到了1.8Gbps，平均速率也稳定在1.7Gbps以上。如果是200MHz带宽条件，理论上单个小区极限吞吐率可以达到20Gbps。——假如每个人都以20Mbps的速度下载文件，单独一个5G基站能同时满足上千人的需求[5]。
3.2 中国领跑5G发展
中国在全球标准制定中经历了“2G跟随，3G突破，4G同步，到5G引领”的过程，在5G标准制定中充分彰显了中国元素。中国在5G产业成熟方面功不可没。截至2017年底，中国已经完成5G技术试验的两阶段测试，并全面启动第3阶段测试，验证5G关键技术，推进商用前的互联互通工作。中国已经建成全球最大的5G外场试验环境，在北京怀柔外场完成30个站址规划，可满足多厂家的外场组网性能测试需求；2018年将进一步扩大5G外场测试规模。
3.3 5G商用
中国将成为5G率先规模商用的国家之一，快速发展的垂直行业数字化转型和巨大的用户规模都将推动中国5G产业快速健康地发展。中国三大运营商和设备商已在5G产业合作和垂直行业场景验证方面开展了很多工作。各个运营商和厂商已开展了多个5G商业运用，在VR/AR、车联网、工业无线、远程控制、智能电网、远程医疗六大领域的云VR直播、无人驾驶、工业机器人、远程挖掘机、无人机电网巡检、远程手术等典型场景，不断探索未来5G的创新应用，优化5G基础网络产品。
4   未来5G展望
2017年，在整个5G产业的共同努力下，5G标准、关键技术、产业环境都取得了突破性的进展，预计2018年将进入规模的外场测试和预商用阶段。但运营商面临着营收增长的压力，在垂直行业应用未出现明显增长的情况下，运营商对5G投资将相对谨慎。这也将导致5G的建设周期拉长，未来5G发展将经历3个阶段。
•2018—2019年，5G外场测试和预商用阶段：标准和技术将进一步完善，大规模外场测试持续进行，早期的5G小规模商用将在中、美、日、韩、欧等国家和地区不断涌现。同时，Massive MIMO等5G相关的核心技术应用到4G网络中，Pre5G将成为现阶段移动网络建设的主旋律。
•2020—2021年，5G规模商用初期阶段：这个阶段5G网络建设的主要目标是分流4G网络的压力，进一步提升无线网络带宽，eMBB是核心场景。中国将率先大规模部署5G网络，成为全球最大的5G市场。
•2022年以后，5G商用持续深入和拓展：这个阶段的主旋律是通信业与垂直行业的跨界融合。5G作为未来数字经济时代的关键使能技术和基础设施，uRLLC和mMTC场景将快速发展，支撑垂直行业的数字化转型，如智慧城市、环境检测、工业自动化、无人驾驶、智能机器人等，新的场景应用将层出不穷[6]。
参考文献：
[1] 张弛. 5G技术发展脉络分析[J]. 移动通信, 2015,39(9):25-28.
[2] 李路鹏. 5G技术展望[C]. 2013全国无线及移动通信学术大会论文集（上）, 2013.
[3] Panagiotis Demestichas. Next Generation Communication Architectures and Technologies[Z]. 2013
[4] 尤肖虎,潘志文,高西奇,等. 5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 中国科学：信息科学, 2014,44(5): 551-563.
[5] 5G创新“加速度” 大唐移动精彩亮相2018北京科技周[EB/OL]. [2018-02-1] http://www.c114.com.cn/tech/164/a1042320.html.
[6] 徐慧俊.5G商用，蓄势待发中兴通讯技术[J] .中兴通讯技术,2018.1（1）:8-12.