5G即為第五代移動電話行動通信標(biāo)準(zhǔn)，也稱第五代移動通信技術(shù)。根據(jù) IMT-2020 網(wǎng)絡(luò)對5G的設(shè)計理念，5G關(guān)鍵技術(shù)以 SDN、NFV 和云為基礎(chǔ)，向著自動、智能、靈活、高效、穩(wěn)定的方向發(fā)展。5G峰值網(wǎng)絡(luò)速率將達(dá)到10Gbps、網(wǎng)絡(luò)傳輸速度比4G快10-100倍、網(wǎng)絡(luò)時延從4G的50毫秒縮短到1毫秒、滿足1000億量級的網(wǎng)絡(luò)連接。

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一、5G的應(yīng)用場景

1. 加速普及物聯(lián)網(wǎng)

從4G開始，物聯(lián)網(wǎng)在智能家居行業(yè)已經(jīng)興起，但只是處于初級階段。未來數(shù)年，5G的更高速率、更短時延、更大規(guī)模、更低功耗，將能夠有效滿足物聯(lián)網(wǎng)的特殊應(yīng)用需求，從而實現(xiàn)自動化和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)新用例，加快物聯(lián)網(wǎng)的落地和普及，如智慧醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、環(huán)境監(jiān)測等。

2. 普及云端化生活

如果5G時代到來，4K視頻甚至是8K視頻將能夠流暢實時播放 ;云技術(shù)將會更好的被利用，生活、工作、娛樂將都有“云”的身影;極高的網(wǎng)絡(luò)速率也意味著硬盤將被云盤所取締 ;隨時隨地可以將大文件上傳到云端。由于智能終端和應(yīng)用的普及，使得移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求越來越大，內(nèi)容越來越多，按需智能推送內(nèi)容，提升用戶體驗。移動互聯(lián)網(wǎng)推動移動智能終端進(jìn)入和構(gòu)成移動設(shè)備云。

3. 提升智能交互

VR直播、無人機(jī)陣列、無人駕駛汽車、人工智能、遠(yuǎn)程醫(yī)療間的數(shù)據(jù)交換，都需要運用到5G技術(shù)進(jìn)行龐大的數(shù)據(jù)吞吐量，并具有極短的延遲時間。城市交通、市民生活、醫(yī)療健康、生活治理將邁入新的時代。在多平臺開發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)上實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)超高速數(shù)據(jù)傳輸、低延時用戶感知，未來全新多方位的用戶體驗將呈現(xiàn)在使用者面前，例如虛擬導(dǎo)航將通過超高速數(shù)據(jù)用戶體驗實時訪問城市街道及大型場景建筑地圖數(shù)據(jù)庫;移動遠(yuǎn)程醫(yī)療的用戶可以根據(jù) 5G 低延時、高速特性在沒有醫(yī)療室高速行駛的列車上通過視頻通信獲取遠(yuǎn)端醫(yī)生的協(xié)助，及時運用人工智能手段解決用戶醫(yī)療難題。

二、5G的技術(shù)體系

和4G相比，5G的提升是全方位的，按照3GPP的定義，5G既包括大規(guī)模天線，超密集組網(wǎng)，新型多址技術(shù)、全頻譜接入及新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，也包括新型信息中心網(wǎng)絡(luò)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、虛擬化、云存儲等基礎(chǔ)支撐技術(shù)。總的來說，5G的技術(shù)體系分為基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)兩個層面。

1. 基礎(chǔ)技術(shù)

(1) 新型信息中心網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)通信TCP/IP網(wǎng)絡(luò)難以實現(xiàn)全面海量數(shù)據(jù)的發(fā)布，而以ICN(信息中心網(wǎng)絡(luò))為代表的新技術(shù)優(yōu)勢日益明顯。5G注重利用ICN、IP 的雙重結(jié)合，針對擴(kuò)展性、數(shù)據(jù)移動性、數(shù)據(jù)部署等情況設(shè)定實用型目標(biāo)戰(zhàn)略，與SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))相互融合，考慮數(shù)據(jù)平面與控制平面的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)情況，并為其提供動態(tài)配置環(huán)境。

(2) SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))與 NFV(網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)

利用數(shù)據(jù)分離、軟件化、虛擬化概念，為5G移動通信網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)支撐，也是歐盟所公布的 5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展審核標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容。SDN以基礎(chǔ)設(shè)施層(網(wǎng)絡(luò)最底層)、中間層(控制層)、最上層(應(yīng)用層)為主，涵蓋了API網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)用內(nèi)容。NFV是從網(wǎng)絡(luò)運營商的角度出發(fā)的網(wǎng)絡(luò)體系，利用IT技術(shù)平臺來實現(xiàn)功能虛擬化，并與所對應(yīng)的功能塊相銜接，便于統(tǒng)一調(diào)用相關(guān)虛擬資源。

(3) 5G芯片技術(shù)

在高寬帶收發(fā)系統(tǒng)、可見光通信、調(diào)制解調(diào)器、移動終端、大規(guī)模天線、云后臺服務(wù)等諸多環(huán)節(jié)都需要芯片支撐，而且比4G的性能要求更高、尺寸更小。

(4) 云后臺服務(wù)

云服務(wù)安全、可靠并形成中心式云后臺，利用量子密碼學(xué)進(jìn)行實現(xiàn)5G安全的實現(xiàn)，可以有效的避免不必要的資源浪費，并且可以降低物理層面的存儲支出，有效縮減第三方的存儲器代理提供的費用。

2. 應(yīng)用技術(shù)

5G的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)分為覆蓋增強(qiáng)技術(shù)、頻效提升技術(shù)、頻譜擴(kuò)展技術(shù)、能效提升技術(shù)等四個類別。

(1) 覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

在云后臺技術(shù)的支撐下，覆蓋增強(qiáng)技術(shù)由密集異構(gòu)組網(wǎng)組成?？s小覆蓋半徑，以頻譜資源的空間復(fù)用，提高頻譜效率，從而提高業(yè)務(wù)量。在 5G 的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，利用宏站和低功率小型基站進(jìn)行覆蓋，包括4G、Wi-Fi、LTE 等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，通過增加站點密度減少節(jié)點間的距離，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點距離終端更近，令頻譜效率以及系統(tǒng)容量得到大幅度的提升。

(2) 頻效提升技術(shù)

• 一是MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)天線技術(shù)。該技術(shù)是在接收端及發(fā)送端使用多個天線進(jìn)行接收和發(fā)送，大規(guī)模的增加天線數(shù)量，在不增加頻譜資源或總功率耗損的條件下提高信道容量、吞吐量及傳送距離，從而改善通信質(zhì)量。
• 二是可利用節(jié)點擴(kuò)展技術(shù)。大規(guī)模 MIMO中基站天線的數(shù)量 陣列沒有空間時域限制，并且上行導(dǎo)頻采用的是時分雙工進(jìn)行的信度估計，將大大提升頻效。
• 三是新型傳輸波形。OFDM(正交頻分復(fù)用。一種無線環(huán)境下的高速多載波傳輸技術(shù)。)是當(dāng)前 Wi-FI和 LTE 標(biāo)準(zhǔn)中的高速無線通信的主要傳信模式，與傳統(tǒng)的 FDM 模式相比，頻譜利用率提升接近 1 倍，而且具有抗頻率選擇性衰落，并可充分的利用 FFT/IFFT模塊，實現(xiàn)容易、易操作。OFDM 仍然是未來 5G 的關(guān)鍵傳輸波形技術(shù)，但是其性能參數(shù)等有待優(yōu)化提高。
• 四是非正交多址接入技術(shù)。非正交多址接入技術(shù)(NOMA)把功率域由傳統(tǒng)的單用戶改為多用戶共享，并把無線接入能量提升 50%，非正交多址接入技術(shù)新增功率域，可以滿足每個用戶不同的路徑損耗實現(xiàn)復(fù)用。
• 五是先進(jìn)調(diào)制編碼技術(shù)。為了將來在有限的通信資源基礎(chǔ)上實現(xiàn)更高層次的吞吐量、高頻譜利用率及高服務(wù)高運轉(zhuǎn)速度的無線傳輸，5G 迫切需要實現(xiàn)編碼空間調(diào)制，即在傳統(tǒng)的二位映射基礎(chǔ)上延伸至三維映射中去，并以天線實際的物理位置定位為依據(jù)來攜帶部分發(fā)送信息，以此提高頻譜效率。

(3) 頻譜擴(kuò)展技術(shù)

頻譜擴(kuò)展技術(shù)是當(dāng)今最先進(jìn)的無線通信技術(shù)，包括認(rèn)知無線電、毫米波、可見光通信等技術(shù)。

• 一是認(rèn)知無線電，是伴隨移動通信領(lǐng)域快速發(fā)展的無線電通信頻譜利用率的新技術(shù)，認(rèn)知功能的無線通信有效地利用時間和空間上的空閑頻譜資源來提供無線通信務(wù)，全動態(tài)利用“頻譜空穴”，并在此資源基礎(chǔ)上利用空間、時間適時調(diào)整功率、頻率、調(diào)制及其它動態(tài)參數(shù)獲取最佳的頻帶利用效果。
• 二是毫米波，采用毫米波通信能夠很有效的緩解頻譜資源緊張的狀態(tài)也可以提升通信容量。由于5G的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，毫米波具有波束集中，提高能效 ;方向性好，受干擾影響小 ;波束窄的特點，具有很強(qiáng)的抗干擾能力提高通信的可靠性。
• 三是可見光通信，可見光通信具有廣泛性、高速率性、寬頻譜、低成本、高保密性、實用性等特點，在物聯(lián)網(wǎng)、移動通信等領(lǐng)域獲得廣泛認(rèn)同新技術(shù)，其應(yīng)用滲透到航空、軍事、地鐵、通信等領(lǐng)域，并在未來5G通信中占有一席之地。

(4) 能效提升技術(shù)

• 一是多域協(xié)同無線資源管理，主要是業(yè)務(wù)域話音、非實時數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、多媒體及廣播和用戶域協(xié)同合作利用，并在充分配合碼域、時域、空域、頻域及能量域的資源域共同完成多域協(xié)同資源的管理;
• 二是多協(xié)同可以實現(xiàn)跨層資源的聯(lián)合調(diào)度，在跨網(wǎng)優(yōu)化中實現(xiàn)協(xié)同通信，促進(jìn)交流、增加合作，跨網(wǎng)資源聯(lián)合優(yōu)化配置。

5G技術(shù)體系

三、國內(nèi)5G的技術(shù)難點

1. 5G芯片

國外高通、英特爾等企業(yè)領(lǐng)先國內(nèi)華為、中興。在2017年世界互聯(lián)網(wǎng)大會上，高通基于面向移動終端的5G調(diào)制解調(diào)器芯片組成功實現(xiàn)全球首個正式發(fā)布5G數(shù)據(jù)連接。英特爾推出了首個支持5GNR的多模商用調(diào)制解調(diào)器家族——英特爾XMM8000系列。其中XMM8060為英特爾首款多模、全頻段的商用5G調(diào)制解調(diào)器，預(yù)計于2019年中用于5G商用客戶設(shè)備。我國華為、展訊等企業(yè)也相繼推出了5G芯片，但是在基帶技術(shù)上與英特爾、高通有著不小的差距。根據(jù)不久前展訊展示的芯片技術(shù)路線圖，將會在2019年底前推出基于3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)的5G基帶芯片，可以估測其技術(shù)與世界領(lǐng)先水平還有3-5年的差距。雖然在2017世界互聯(lián)網(wǎng)大會上，華為獲得“3GPP 5G預(yù)商用系統(tǒng)”科技成果獎，但僅顯示華為在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的實力。華為發(fā)布的5G芯片組，體積比較大，并不適合于移動終端對尺度、功能和銜接速率的完美需求。高通X50芯片的體積和50分歐元硬幣差不多大，充分顯示其技術(shù)實力和領(lǐng)先地位。

從深層次來看，國內(nèi)外芯片方面的主要差距表現(xiàn)在：

• 一是關(guān)鍵核心技術(shù)缺失。國外射頻芯片和器件技術(shù)已經(jīng)非常成熟，尤其是面向高頻應(yīng)用的BAW和FBAR 濾波器，我國BAW和FBAR專利儲備十分薄弱，自主研發(fā)面臨諸多壁壘。
• 二是缺乏成熟的商用工藝支撐，整體落后世界領(lǐng)先水平兩代以上。砷化鎵、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體代工市場主要集中在我國臺灣地區(qū);鍺硅和絕緣硅材料工藝方面主要被格羅方德、TowerJazz等大廠掌控。
• 三是產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同性不夠，當(dāng)前我國面向5G，國內(nèi)芯片缺乏與軟件、整機(jī)設(shè)備、系統(tǒng)應(yīng)用、測試儀器儀表等產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)節(jié)的緊密互動。

2. 云計算軟硬件

5G網(wǎng)絡(luò)是由大型服務(wù)器組成的云計算平臺，主要通過具有數(shù)據(jù)減緩功能的路由器和交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)來連接基站，采用宏基站能夠?qū)崿F(xiàn)云存儲功能，通過云計算處理時效性強(qiáng)的數(shù)據(jù)、處理多樣化的業(yè)務(wù)、產(chǎn)生功能多樣化的連接方式，全面實現(xiàn)信息通信技術(shù)的智能化。5G的云化趨勢包括 ：基帶處理能力的云化( 云架構(gòu)的RAN， 即 C-RAN)、 采 用 移 動 邊 緣 內(nèi) 容 與 計 算 (mobile ed gecontent and computing，MECC)、終端云化 。C-RAN 是將多個基帶處理單元(baseband unit， BBU)集中起來，通過大規(guī)模的基帶處理池為成百上千個遠(yuǎn)端射頻單元(remote radio unit，RRH)服務(wù)。 此時，基帶處理能力是云化的虛擬資源。5G將采用 MECC， 即在靠近移動用戶的位置上提供IT 服務(wù)環(huán)境和云計算能力，使應(yīng)用、服務(wù)和內(nèi)容部署在分布式移動環(huán)境中，針對圖像、視頻、制圖等，將計算和存儲卸載到無線接入網(wǎng)，從而降低了對通信帶寬的開銷，并提高了實時性。

但是，云計算的服務(wù)器、存儲系統(tǒng)、云終端及虛擬化軟件、中間件、云調(diào)度、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的生產(chǎn)被國外企業(yè)VMware、EMC、OPENSTACK、IBM等掌控。在云服務(wù)方面，亞馬遜占領(lǐng)全球一半以上的市場份額;在海量存儲方面，國內(nèi)市場一直被EMC、三星、SK海力士、美光、東芝等國際存儲器巨頭所壟斷，國內(nèi)存儲器的發(fā)展一直比較緩慢。

3. 毫米波高頻及高頻器件

• 首先5G需要在復(fù)雜應(yīng)用場景中提供幾百Gibt/s甚至幾個Gbit/s的通信能力，需要高、中、低頻協(xié)同工作，頻段高意味著波長小、相應(yīng)的天線尺寸小，偏向于采用多天線。
• 其次高頻信號衰落快，需要超密集組網(wǎng)，在人口密集的特大城市，將面臨城市居民的潛在阻力，并且中心城區(qū)高樓密集，對有較強(qiáng)方向性特征的高頻數(shù)據(jù)的遮擋不可避免，很難形成最佳用戶體驗。
• 第三，高頻關(guān)鍵器件的特性和成熟度對系統(tǒng)設(shè)計也帶來一些新的挑戰(zhàn)。我國5G試驗已經(jīng)規(guī)劃了26GHz和39GHz作為高頻試驗頻段，但是此前高頻段較少應(yīng)用于民用通信領(lǐng)域，所以相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈配套環(huán)節(jié)并不十分成熟，其中最突出的問題就是高頻器件較為薄弱，研制大帶寬、低噪聲、高效率、高可靠性、多功能和低成本的高頻器件，仍是產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。

國際上，三星公司在毫米波高頻及高頻器件方面走在了前列，早在2016年三星和我國雙方共同完成5G毫米波的關(guān)鍵技術(shù)測試。同年12月1日，三星又與日本電信巨頭KDDI Corp. 攜手，成功在時速超過100公里的火車上，首度實現(xiàn)了在5G網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速度順利達(dá)到 1.7Gbps。

4. 5G排除信號干擾的算法

• 一是現(xiàn)有的干擾協(xié)調(diào)算法已不再適用。在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)中，干擾是一個必須解決的問題。網(wǎng)絡(luò)中的干擾主要有:同頻干擾，共享頻譜資源干擾，不同覆蓋層次間的干擾等?，F(xiàn)有通信系統(tǒng)的干擾協(xié)調(diào)算法只能解決單個干擾源問題，而在5G網(wǎng)絡(luò)中，相鄰節(jié)點的傳輸損耗一般差別不大，這將導(dǎo)致多個干擾源強(qiáng)度相近，進(jìn)一步惡化網(wǎng)絡(luò)性能，使得現(xiàn)有協(xié)調(diào)算法難以應(yīng)對。
• 二是為了滿足移動性需求，需要新的切換算法。在超密集網(wǎng)絡(luò)中，密集地部署及形狀的不規(guī)則，導(dǎo)致頻繁復(fù)雜的切換。新的切換算法和網(wǎng)絡(luò)動態(tài)部署技術(shù)成為研究重點，除了通信算法的傳統(tǒng)技術(shù)路徑以外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法逐漸被人們所重視，但目前的高端算法掌握在GOOGLE、FACEBOOK等國際巨頭手中。

5. 5G網(wǎng)絡(luò)安全

一是5G網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)運維的安全問題。5G采用的是通用硬件臺帶來低可靠性問題，與5G 服務(wù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等的高可靠性相互沖突，需進(jìn)一步研究如何提高在通用硬件平臺上實現(xiàn)電信協(xié)議的可靠性。二是接入設(shè)備的雙重身份引發(fā)的安全問題。未來移動接入設(shè)備( 例如智能手機(jī)) 可以臨時升級成為小基站，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積。但是這樣的設(shè)備角色切換，在安全層級上使得智能手機(jī)具有更高權(quán)限，而其他接入設(shè)備則需要通過該智能手機(jī)傳遞信息，由此可能引發(fā)信息泄露以及安全管理問題。三是超高密度用戶接入引發(fā)的安全問題。5G網(wǎng)絡(luò)提供對與海量用戶訪問的支持，但是由于網(wǎng)絡(luò)中海量用戶的接入需求，服務(wù)器端可能也會接收到來自于海量用戶的安全認(rèn)證需求，這將可能面臨針對海量用戶加密方法、加密服務(wù)器性能以及新的感知網(wǎng)絡(luò)、人工智能病毒攻擊帶來的安全問題。

表2 國內(nèi)技術(shù)難點

文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號“三思派”（ID: Science-Pie）

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