（北京郵電大學(xué)，北京 100876）

5G移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用趨勢(shì)

曾劍秋

（北京郵電大學(xué)，北京 100876）

5G移動(dòng)通信技術(shù)是目前通信技術(shù)中的前沿科技，在2020年后能夠得到應(yīng)用和普及，也是現(xiàn)在通信領(lǐng)域研究的重點(diǎn)方向。本文從移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展歷程角度展開(kāi)剖析，探討5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)，結(jié)合大數(shù)據(jù)以及NB-IoT發(fā)展提出策略建議。

4G；5G；NB-IoT

曾劍秋英國(guó)劍橋大學(xué)博士，北京郵電大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，北京郵電大學(xué)信息經(jīng)濟(jì)與競(jìng)爭(zhēng)力研究中心主任、三網(wǎng)融合研究所所長(zhǎng)，工業(yè)和信息化部電信經(jīng)濟(jì)專(zhuān)家委員會(huì)委員。兼任亞太網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行與管理論壇以及IEEE CNOM 2004年和NOMS 2006年組委會(huì)成員，中國(guó)移動(dòng)高級(jí)顧問(wèn)等。長(zhǎng)期致力于電信產(chǎn)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)、通信業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力與戰(zhàn)略研究，主持完成10余項(xiàng)科研課題。出版著作10余部。

由于5G移動(dòng)通信技術(shù)是基于2G/3G/4G的平滑演進(jìn)，5G移動(dòng)通信技術(shù)擁有更大的容量和更快的數(shù)據(jù)處理速度，通過(guò)手機(jī)、可穿戴設(shè)備和其它聯(lián)網(wǎng)硬件推出更多的新服務(wù)，這將導(dǎo)致從量變到質(zhì)變，5G移動(dòng)通信技術(shù)將帶來(lái)發(fā)展與應(yīng)用的爆發(fā)式增長(zhǎng)。

1 5G移動(dòng)通信技術(shù)的特征與關(guān)鍵技術(shù)

從信息通信技術(shù)發(fā)展與演進(jìn)的軌跡分析，5G是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，是面向2020年之后的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，是2G/3G/4G數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。

1.1 5G移動(dòng)通信技術(shù)的特征

5G是在4G技術(shù)基礎(chǔ)上的平滑演進(jìn)，其技術(shù)特征主要表現(xiàn)如下。

頻譜利用率高：高頻段頻譜資源在5G通信技術(shù)中的廣泛的應(yīng)用，目前的科技水平條件下，高頻段無(wú)線(xiàn)電波利用率比較低，穿透能力差，使用上有不少限制，而未來(lái)對(duì)頻譜的利用率提升，與光載無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)寬帶技術(shù)的融合，能夠給5G通信技術(shù)帶來(lái)廣泛的應(yīng)用前景。

系統(tǒng)性能強(qiáng)：5G移動(dòng)通信技術(shù)將更加多點(diǎn)、多天線(xiàn)、多用戶(hù)、多社區(qū)的相互協(xié)同、相互組網(wǎng)作為重點(diǎn)，大幅提高了通信系統(tǒng)的性能。室內(nèi)通信業(yè)務(wù)是通信的主要業(yè)務(wù)，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)也以室內(nèi)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能和業(yè)務(wù)支撐進(jìn)行擴(kuò)展，是移動(dòng)通信系統(tǒng)的廣域覆蓋。

雙向信號(hào)傳遞：5G采取雙向傳遞無(wú)線(xiàn)電波。打電話(huà)時(shí)，電話(huà)將聲音轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，傳輸電子信號(hào)到最近的無(wú)線(xiàn)電波接收信號(hào)塔。小區(qū)發(fā)射塔通過(guò)信號(hào)塔網(wǎng)絡(luò)反射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)呼叫連接。由于無(wú)線(xiàn)電波震動(dòng)頻率更快，5G將利用更先進(jìn)的技術(shù)，配置更高的電臺(tái)頻率和更大的寬帶。高頻率、大容量和密集的信號(hào)接收點(diǎn)，會(huì)使得5G網(wǎng)絡(luò)的下載速度高達(dá)10 Gbit/s，比4G速度快100倍。

功耗成本雙低：未來(lái)對(duì)5G通信系統(tǒng)的研究將會(huì)著重在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的“軟”配置設(shè)計(jì)上，運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)業(yè)務(wù)流量變化來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)能耗和成本雙低。

1.2 5G移動(dòng)通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

2G/3G/4G數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展為5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)的成熟奠定了基礎(chǔ)，5G移動(dòng)通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)主要如下。

高頻段傳輸技術(shù)：隨著移動(dòng)終端用戶(hù)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，頻譜資源成為越來(lái)越稀缺的資源，高頻段傳輸能夠提高頻譜資源的利用效益。目前移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻段主要在3 GHz以?xún)?nèi)，如果采用高頻段帶寬就會(huì)達(dá)到273.5 GHz，這樣不僅通信設(shè)備的尺寸要小很多，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)短距離內(nèi)的高速信息傳遞，滿(mǎn)足用戶(hù)容量、速率等多方面的要求。

多天線(xiàn)傳輸技術(shù)：多天線(xiàn)傳輸技術(shù)是目前5G技術(shù)中需要重點(diǎn)研究的技術(shù)，多天線(xiàn)傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)從二維到三維、從無(wú)源到有源、從高階多輸入多輸出到大規(guī)模陣列，能夠充分提高頻譜利用率10倍以上。

同時(shí)同頻全雙工技術(shù)：能夠在相同的物理信道上對(duì)兩個(gè)方向的信號(hào)進(jìn)行傳輸，因而也被稱(chēng)為是高效的頻譜效率技術(shù)。同時(shí)同頻全雙工技術(shù)能夠消除通信雙工節(jié)點(diǎn)自身發(fā)射機(jī)信號(hào)的干擾，既可以發(fā)射信號(hào)機(jī)信號(hào)，又可以接收另一節(jié)點(diǎn)的同頻信號(hào)，因而能夠有效地提升頻譜效率，使移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)具有靈活性和穩(wěn)定性。

設(shè)備間直接通信技術(shù)：在5G網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，用戶(hù)的規(guī)模、數(shù)據(jù)的流量都將會(huì)大幅地增加，以傳統(tǒng)基站模式為中心的組網(wǎng)方式顯然已經(jīng)不能滿(mǎn)足業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，而設(shè)備間直接通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有基站的情況下也能有效運(yùn)轉(zhuǎn)，開(kāi)拓接入和網(wǎng)絡(luò)連接方式。

密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的目標(biāo)是4G的1 000倍，實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)需要應(yīng)用兩種技術(shù)：其一是布置大規(guī)模的天線(xiàn)在宏基站處用來(lái)獲得室外空間增益；其二是通過(guò)布置密集的網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿(mǎn)足室內(nèi)外的數(shù)據(jù)傳輸需求，由此可見(jiàn)，5G將會(huì)采用更加密集的方案，部署超過(guò)200個(gè)以上扇區(qū)以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。

新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)：5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將呈現(xiàn)扁平化、低成本、低時(shí)延、高效率、易維護(hù)等特點(diǎn)，當(dāng)前的研究方向主要還集中在C-RAN和云架構(gòu)。

智能化技術(shù)：5G網(wǎng)絡(luò)是由大型服務(wù)器組成的云計(jì)算平臺(tái)，主要通過(guò)具有數(shù)據(jù)減緩功能的路由器和交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接基站，采用宏基站能夠?qū)崿F(xiàn)云計(jì)算存儲(chǔ)功能、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、處理時(shí)效性強(qiáng)的數(shù)據(jù)、處理多樣化的業(yè)務(wù)、連接方式的多樣化等功能，全面實(shí)現(xiàn)信息通信技術(shù)的智能化。

2 5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用趨勢(shì)

縱覽全球，5G將于2020年正式商用，具體到中國(guó)，將經(jīng)歷3個(gè)階段：一是技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)，目前已完成；二是技術(shù)方案驗(yàn)證，目前已啟動(dòng)，預(yù)計(jì)到2017年底完成；三是系統(tǒng)驗(yàn)證，預(yù)計(jì)2017年中到2018年底結(jié)束。主要指建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)與基站，其主要投向主設(shè)備以及配套的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)、鐵塔及傳輸?shù)?。主設(shè)備的投資又將傳導(dǎo)至射頻器件、光模塊、基站天線(xiàn)等投資與建設(shè)。

與此同時(shí)，伴隨5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，5G新業(yè)務(wù)、新架構(gòu)、新技術(shù)，都會(huì)對(duì)安全和用戶(hù)隱私保護(hù)提出新的挑戰(zhàn)。5G安全機(jī)制除了要滿(mǎn)足基本信息通信，還需要為不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景提供差異化安全服務(wù)，能夠適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)接入方式及新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，隱私保護(hù)，支持開(kāi)放運(yùn)營(yíng)環(huán)境下的安全能力。未來(lái)5G安全將呈現(xiàn)多樣化場(chǎng)景，并在多種接入方式以及新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上提供全方位的安全保障。

5G移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用趨勢(shì)將主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

一是萬(wàn)物互聯(lián)：從4G開(kāi)始，智能家居行業(yè)已經(jīng)興起，但只是處于初級(jí)階段的智能生活，4G不足以支撐“萬(wàn)物互聯(lián)”，距離真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”還有很大的距離；而5G極大的流量將能為“萬(wàn)物互聯(lián)”提供必要條件。

未來(lái)數(shù)年，物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與5G的即將商用有著密不可分的關(guān)系。由于目前網(wǎng)絡(luò)條件的限制，很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求并不能得到有效滿(mǎn)足，這其中主要包括兩大場(chǎng)景：一是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)連接，其特點(diǎn)是規(guī)模較大，每終端產(chǎn)生的流量較低，設(shè)備成本和功耗水平也相對(duì)較低；二是關(guān)鍵任務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)連接，要求網(wǎng)絡(luò)具備高可靠、高可用、高帶寬以及低延時(shí)的特點(diǎn)。致力于提供更高速率、更短時(shí)延、更大規(guī)模、更低功耗的5G，將能夠有效滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)的特殊應(yīng)用需求，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和交通運(yùn)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。事實(shí)上，在5G技術(shù)研發(fā)階段，各組織機(jī)構(gòu)已經(jīng)達(dá)成共識(shí)：物聯(lián)網(wǎng)將是5G最主要的應(yīng)用場(chǎng)景，也是5G最先部署和落地的應(yīng)用場(chǎng)景，而在5G技術(shù)研發(fā)階段，物聯(lián)網(wǎng)的特殊需求也被各組織所重點(diǎn)考慮。

二是生活云端化：如果5G時(shí)代到來(lái)，4K視頻甚至是8K視頻將能夠流暢實(shí)時(shí)播放；云技術(shù)將會(huì)更好的被利用，生活、工作、娛樂(lè)將都有“云”的身影；另一方面，極高的網(wǎng)絡(luò)速率也意味著硬盤(pán)將被云盤(pán)所取締；隨時(shí)隨地可以將大文件上傳到云端。

5G的移動(dòng)內(nèi)容云化有兩個(gè)趨勢(shì)：從傳統(tǒng)的中心云到邊緣云（即移動(dòng)邊緣計(jì)算），再到移動(dòng)設(shè)備云。由于智能終端和應(yīng)用的普及，使得移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求越來(lái)越大，內(nèi)容越來(lái)越多。為了加快網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)速度，基于對(duì)用戶(hù)的感知，按需智能推送內(nèi)容，提升用戶(hù)體驗(yàn)。因此，開(kāi)放實(shí)時(shí)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息，為移動(dòng)用戶(hù)提供個(gè)性化、上下文相關(guān)的體驗(yàn)。在移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)中，通常流行內(nèi)容會(huì)得到在較近距離范圍內(nèi)的大量移動(dòng)用戶(hù)的共同關(guān)注。同時(shí)，由于技術(shù)進(jìn)步，移動(dòng)設(shè)備成為可以提供剩余能力（計(jì)算、存儲(chǔ)和上下文等）的“資源”，可以是云的一部分，即形成池化的虛擬資源，從而構(gòu)成移動(dòng)設(shè)備云。

三是智能交互：無(wú)論是無(wú)人駕駛汽車(chē)間的數(shù)據(jù)交換還是人工智能的交互，都需要運(yùn)用到5G技術(shù)龐大的數(shù)據(jù)吞吐量及效率。由于只有1ms的延遲時(shí)間，5G環(huán)境下，虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，無(wú)人駕駛汽車(chē)、遠(yuǎn)程醫(yī)療這些需要時(shí)間精準(zhǔn)、網(wǎng)速超快的技術(shù)也將成為可能。而VR直播、虛擬現(xiàn)實(shí)游戲、智慧城市等應(yīng)用都需要5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)支撐，這些，也將成為未來(lái)生活的改變。不僅手機(jī)和電腦能聯(lián)網(wǎng)，家電、門(mén)鎖、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、汽車(chē)、可穿戴設(shè)備、甚至寵物項(xiàng)圈都能夠連接上網(wǎng)絡(luò)。設(shè)想幾個(gè)場(chǎng)景：寵物項(xiàng)圈聯(lián)網(wǎng)后，一旦寵物走失，找到它輕而易舉；冰箱聯(lián)網(wǎng)后，可適時(shí)提醒主人今天缺牛奶了；建筑物、橋梁和道路聯(lián)網(wǎng)后，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑物質(zhì)量，提前預(yù)防倒塌風(fēng)險(xiǎn)；企業(yè)和政府也能實(shí)時(shí)監(jiān)控交通擁堵、污染等級(jí)以及停車(chē)需求，從而將有關(guān)信息實(shí)時(shí)傳送至民眾的智能手機(jī)；病人生命體征數(shù)據(jù)可以被記錄和監(jiān)控，讓醫(yī)生更好地了解生活習(xí)慣與健康狀況的因果關(guān)系。

3 中國(guó)引領(lǐng)5G移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的建議

ITU（國(guó)際電信聯(lián)盟）已完成5G愿景研究，預(yù)計(jì)2020年將完成標(biāo)準(zhǔn)制定，其中第一階段將于2018年9月R15凍結(jié)，第二階段將于2020年3月R16凍結(jié)。5G將解決多樣化應(yīng)用場(chǎng)景下差異化性能指標(biāo)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，不同應(yīng)用場(chǎng)景面臨的性能挑戰(zhàn)有所不同，用戶(hù)的體驗(yàn)速率、流量密度、時(shí)延、能效和連接數(shù)都可能成為不同場(chǎng)景的挑戰(zhàn)性指標(biāo)。而我國(guó)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)分為3個(gè)階段：2016年9月以前是第一階段，針對(duì)單點(diǎn)技術(shù)樣機(jī)功能和性能測(cè)試；2017年上半年是第二階段，針對(duì)不同廠(chǎng)商的技術(shù)方案，基于統(tǒng)一頻率，統(tǒng)一規(guī)范，開(kāi)展單基站性能測(cè)試和無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)增強(qiáng)技術(shù)的功能、性能和流程測(cè)試；2017年下半年到2018年10月是第三階段，開(kāi)展5G系統(tǒng)的組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)功能和性能、測(cè)試。在2016年11月國(guó)際移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP最終確定了5GeMBB場(chǎng)景的信道編碼技術(shù)方案，其中，短碼的控制信道編碼方案采用了華為主推的Polar碼。此外，中國(guó)移動(dòng)成功牽頭5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。5G技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)配，能夠提供低成本、低能耗、低延遲、高可靠性的通信，以支持物聯(lián)網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模的連接應(yīng)用，如時(shí)速180km以上的智能汽車(chē)，5G可以保障車(chē)與車(chē)、車(chē)與路、車(chē)與其它障礙物的信息延時(shí)在1ms內(nèi)，安全、快捷、穩(wěn)定一覽無(wú)遺。根據(jù)目前的市場(chǎng)情況來(lái)看，我國(guó)正在大力推廣4G 移動(dòng)通信技術(shù)，而且已經(jīng)發(fā)展得十分成熟了，已被人們廣泛的接受和應(yīng)用，因而5G將會(huì)成為未來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展方向。因此，基于5G和NB-IOT標(biāo)準(zhǔn)以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，中國(guó)引領(lǐng)5G移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要的策略與建議有兩個(gè)方面。

一方面，中國(guó)需要推進(jìn)全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)并搶占先機(jī)。Polar碼最終能夠勝出，佐證了中國(guó)通信業(yè)的崛起，國(guó)際地位明顯提升，早已今非昔比。同時(shí)，我國(guó)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的進(jìn)步不能也絕不會(huì)孤立于全球主流。鑒于2G有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，3G有3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，4G有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，如今，全球通信業(yè)已達(dá)成共識(shí)：5G要形成一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)政府高層也多次強(qiáng)調(diào)，5G要大合作，中國(guó)將積極貢獻(xiàn)自己的最新研發(fā)成果，為推進(jìn)全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)而努力。

另一方面，中國(guó)需要明晰通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)共生的定位,與物聯(lián)網(wǎng)的共生也是未來(lái)我國(guó)在發(fā)展通信技術(shù)的關(guān)鍵。5G和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同效應(yīng)是未來(lái)最主要的場(chǎng)景。處理物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的多樣化數(shù)據(jù)需要5G網(wǎng)絡(luò)具備高度靈活性。反過(guò)來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)將管理5G網(wǎng)絡(luò)配置，以滿(mǎn)足終端用戶(hù)隨時(shí)隨地的需求。在中國(guó)移動(dòng)的聯(lián)合創(chuàng)新中心成員名單中，除了傳統(tǒng)的通信領(lǐng)域企業(yè)，還有海爾、海信這樣的家電制造商，以及首鋼這樣的傳統(tǒng)制造業(yè)，他們都是中國(guó)目前物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用者和推動(dòng)者。

4 結(jié)語(yǔ)

ICT技術(shù)驅(qū)動(dòng)全球化并為人類(lèi)帶來(lái)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，在全球一盤(pán)棋的大背景下，任何一個(gè)國(guó)家，任何一個(gè)公司想要“碾壓”對(duì)手，形成“一家獨(dú)大”都是不可能的。要形成一個(gè)統(tǒng)一的5G標(biāo)準(zhǔn)，既需要有關(guān)各方貢獻(xiàn)最新的研發(fā)成果，又要盡可能團(tuán)結(jié)大多數(shù)，必要時(shí)還要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮献魍讌f(xié)。展望2017年，要想在5G領(lǐng)域持續(xù)領(lǐng)跑的革命尚未成功，我國(guó)通信業(yè)仍需持續(xù)努力。在信息通信業(yè)最核心的技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)企業(yè)的原始創(chuàng)新能力還需進(jìn)一步提高。在5G全球標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)推進(jìn)中，中國(guó)需要貢獻(xiàn)更多的創(chuàng)新成果，在一些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域擁有更多的話(huà)語(yǔ)權(quán)，引領(lǐng)5G移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，促進(jìn)合作與共贏(yíng)。

Development and application trend of 5G mobile communication technology

ZENG Jian-qiu
(Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

5G mobile communication technology is the leading-edge technology in the communication technology, and it can be applied and popularized in 2020. From the perspective of the development of mobile communication technology, this paper discusses the development and application trend of 5G mobile communication technology, and puts forward some suggestions on the development of big data and NB-IoT.

4G; 5G; NB-IoT

TN929.5

A

1008-5599（2017）02-0001-04

2017-01-18