[[280757]]

引子

作為一名80后，從記事起到現(xiàn)在，我和我的家庭經(jīng)歷了從固定電話(huà)、撥號(hào)上網(wǎng)到寬帶入戶(hù)、提速降費(fèi)，從網(wǎng)吧聊天室、家用臺(tái)式機(jī)到平板電腦，從軟盤(pán)、硬盤(pán)再到u盤(pán)、云存儲(chǔ)，從BP機(jī)、大哥大、小靈通到智能手機(jī)。短短二三十年，我生活中的通信產(chǎn)生了翻天覆地的變化。剛上大學(xué)時(shí)，我擁有了自己的第一部2G手機(jī)，TFT屏幕，32和弦鈴聲，使用“動(dòng)感地帶”30元/月套餐，這些仿佛還在昨天。而今天，我們的國(guó)家就要迎來(lái)5G時(shí)代了。

從1G、2G、3G國(guó)民逐漸普及手機(jī)，到今天意氣風(fēng)發(fā)的4G，再到即將迎來(lái)的5G全面商用，我國(guó)移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)在改革開(kāi)放40年中取得了全世界令人矚目的發(fā)展成就，切切實(shí)實(shí)惠及了每一個(gè)人。值此新中國(guó)成立70年之際，我們特此撰寫(xiě)5G科普文章，為人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)5G、迎接5G做出一份努力。

國(guó)家無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中心 王坦

5G技術(shù)科普

5G的G，是英文Generation的縮寫(xiě)，就是“代”的意思。所以，5G就是“第五代”移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)。這就跟五環(huán)比四環(huán)多一環(huán)是一個(gè)意思。關(guān)于移動(dòng)通信演進(jìn)史的文章有很多，本文暫不贅述。

[[280758]] 

從1G到4G，每一代移動(dòng)通信的變革都給我們帶來(lái)了全新的體驗(yàn)。簡(jiǎn)單說(shuō)，1G是話(huà)音服務(wù)，2G是“txt”也即短消息，3G是“jpg”也即圖片等多媒體服務(wù)，4G則是“avi/mkv”等各種視頻類(lèi)服務(wù)，那5G打算干什么呢?

5G的“野心”

首先，5G在服務(wù)老百姓的日常通信需要上，各項(xiàng)指標(biāo)當(dāng)然要比4G更厲害啦。這也是5G看家本領(lǐng)，三大場(chǎng)景之一：增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶(eMBB)。先看看在這方面5G比4G從能力上提高了多少吧。根據(jù)一項(xiàng)互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告，世界上最快的4G網(wǎng)速(平均63 Mb/s)和最快的寬帶網(wǎng)速(平均189 Mb/s)加在一起，也沒(méi)有 5G 的網(wǎng)速高(理論可達(dá)10Gb/s)。5G網(wǎng)速完全能夠把他們按在地上摩擦。

[[280759]]

圖1 5G網(wǎng)速對(duì)比圖網(wǎng)速的大幅提升，可以轉(zhuǎn)化為很多能力的增強(qiáng)，比如：下載速度更快(高清電影下載以秒計(jì))，觀(guān)看視頻質(zhì)量更高(1080p、4k、8k不是夢(mèng))，多媒體服務(wù)模式更加先進(jìn)(虛擬現(xiàn)實(shí)浸入式體驗(yàn)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等)，在現(xiàn)有相同數(shù)據(jù)速率下支持更多用戶(hù)同時(shí)在線(xiàn)、或單個(gè)用戶(hù)時(shí)延大幅降低(減少網(wǎng)絡(luò)卡頓、等待時(shí)間)等。但如果你以為5G就這點(diǎn)能耐，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了。5G真正的“野心”，不在于連接人與人，而在于連接人與物、物與物。簡(jiǎn)言之，5G真正目標(biāo)在于連接萬(wàn)物。這里面包括了5G三大場(chǎng)景的另外兩個(gè)：高可靠低時(shí)延(URLLC)以及大規(guī)模機(jī)器通信(mMTC)。什么是高可靠低時(shí)延?這展現(xiàn)了5G連接萬(wàn)物快、準(zhǔn)、狠的能力。舉個(gè)例子，人開(kāi)車(chē)時(shí)，從發(fā)現(xiàn)情況到腳踩剎車(chē)，大腦反應(yīng)時(shí)間一般是10毫秒到50毫秒(也即1秒的1%-5%那么長(zhǎng))，而5G的低時(shí)延，能力要求是1至幾毫秒的量級(jí)。此外，5G對(duì)通信可靠性的要求達(dá)到了5個(gè)9(99.999%)，針對(duì)這種能力，平時(shí)玩?zhèn)€手游、刷個(gè)網(wǎng)頁(yè)、看個(gè)視頻根本理解不到5G技術(shù)的厲害之處，而在自動(dòng)駕駛、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等對(duì)精度和時(shí)間要求很高的通信場(chǎng)景下，5G才能夠最大限度的發(fā)揮出技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖2 5G低時(shí)延示意圖 

而在大規(guī)模機(jī)器通信方面，則展現(xiàn)出了5G連接萬(wàn)物的維度和廣度。5G可以支持每平方公里接入100萬(wàn)個(gè)設(shè)備，是4G的10倍。

隨著5G連接萬(wàn)物能力逐漸滲透到我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，我們家里的電視、冰箱、洗衣機(jī)、音箱、燈、水電燃?xì)獗?、門(mén)鎖，城市里的路燈、車(chē)輛、紅綠燈、攝像頭、物流，體育賽事、演唱會(huì)、聯(lián)歡會(huì)的每一個(gè)視頻錄像機(jī)位，工廠(chǎng)里的產(chǎn)線(xiàn)、貨架、機(jī)械臂，農(nóng)田里的傳感器、水管，每個(gè)病人所攜帶的傳感器、監(jiān)護(hù)儀，每一件食品、藥品等等，全都可以在5G網(wǎng)絡(luò)中擁有自己的一張“sim卡”，可以同你的手機(jī)直接建立連接。

圖3 5G大連接示意圖

注意，這些設(shè)備未來(lái)是可以直接連接到5G的哦，不是先通過(guò)家里WiFi或其它渠道間接與你的手機(jī)連接。這時(shí)你通過(guò)一部5G手機(jī)就真的實(shí)現(xiàn)了“信息隨心至，萬(wàn)物觸手及”的5G終極愿景。

圖4 5G各類(lèi)應(yīng)用示意 

5G技術(shù)簡(jiǎn)述

5G的上述“野心”絕不是信口開(kāi)河，因?yàn)?G有一攬子新的通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。這里我們細(xì)細(xì)道來(lái)。通信技術(shù)，無(wú)論什么黑科技、白科技，只分兩種——有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信。通常情況下，你手機(jī)里的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)(包括你在各種App里點(diǎn)擊等操作的信息)，首先通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波傳遞到附近的基站，然后通過(guò)光纖傳遞到核心網(wǎng)處理。接下來(lái)，如果你是要連接他人或物，相關(guān)消息會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到你通信目標(biāo)附近的基站，然后再用無(wú)線(xiàn)電波傳遞到對(duì)方的手機(jī)或電腦等其它終端;如果你是單方面獲取互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，那就是核心網(wǎng)通過(guò)連接其它互聯(lián)網(wǎng)資源(如視頻播放等)，將你的請(qǐng)求所對(duì)應(yīng)的反饋傳遞回給你。

圖5 通信傳輸路徑示意圖

其中，有線(xiàn)通信的傳輸，想要高速很容易，實(shí)驗(yàn)室中，單條光纖最大速度已達(dá)到了26Tbps(1Tbps = 1000 Gbps = 1000×1000 Mbps)，是傳統(tǒng)網(wǎng)線(xiàn)的兩萬(wàn)六千倍。而無(wú)線(xiàn)通信的傳輸，才是整條通路的瓶頸。

圖6 無(wú)線(xiàn)通信和有線(xiàn)通信示意

上面這段話(huà)可能把你搞暈了。簡(jiǎn)單說(shuō)，信息傳遞的路，要先走一段“無(wú)線(xiàn)通信”的小路、窄路，然后再匯聚到“有線(xiàn)通信”的超寬的高度公路，距離目的地“最后一公里時(shí)”，再?gòu)拇舐废碌?ldquo;無(wú)線(xiàn)通信”的小路，最終到達(dá)目的地。所以說(shuō)，無(wú)線(xiàn)通信的那段路，是5G重點(diǎn)要加寬、提速的部分。除此之外，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體現(xiàn)著5G在網(wǎng)絡(luò)中處理信息、反饋信息、提供服務(wù)的效率，也是5G需要演進(jìn)的內(nèi)容。下面分別介紹。 

5G無(wú)線(xiàn)技術(shù)“三駕馬車(chē)”

無(wú)線(xiàn)通信想要提高容量，主要有這么三個(gè)維度：

一是提升手機(jī)等終端到基站“點(diǎn)到點(diǎn)”的網(wǎng)速;也即，把上文提到的無(wú)線(xiàn)通信的“小路”修的更加平整、暢通，讓車(chē)速能夠直接提高。二是增加基站數(shù)量，增加手機(jī)等終端就近連接基站的機(jī)會(huì);也即，多修建一些通向主干道的小路，車(chē)輛可以就近快速走上高速路;三是增加更多的頻譜，也即把小路修的寬一些，讓小路上可以同時(shí)跑更多車(chē)、更寬更大型的車(chē)，并且跑的更順暢。

圖7 5G無(wú)線(xiàn)技術(shù)發(fā)展“三駕馬車(chē)” 

不論哪一代移動(dòng)通信演進(jìn)，這“三駕馬車(chē)”都會(huì)并駕齊驅(qū)。那么5G在這三方面都有什么黑科技呢?黑科技一：大陣列天線(xiàn)的波束賦形為了提升“點(diǎn)到點(diǎn)”信息傳遞的速度，5G大幅提高了天線(xiàn)數(shù)量，從傳統(tǒng)4G的2發(fā)2收，到后4G時(shí)代的8發(fā)4收，到了5G現(xiàn)在叫大陣列天線(xiàn)，“大”到64發(fā)、128發(fā)甚至512發(fā)。 

圖8 

大陣列天線(xiàn)有什么好處呢?這時(shí)就該波束賦形這個(gè)黑科技亮相了。陣列天線(xiàn)通過(guò)對(duì)每一根天線(xiàn)的發(fā)射進(jìn)行調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)天線(xiàn)陣列發(fā)出一個(gè)賦形、有指向的波束。 

傳統(tǒng)天線(xiàn)好比一個(gè)大路燈，燈泡朝向下方或者一個(gè)固定方向。這個(gè)時(shí)候雖然也照亮了某個(gè)位置的人，給他提供了服務(wù)，但是還有很多光的能量是射向其它沒(méi)有人的地方的(沒(méi)有發(fā)起通信業(yè)務(wù)需要)，造成了很大的能量浪費(fèi)。

而大陣列天線(xiàn)提供的波束賦形，就像是聚光燈，把光束打給正在需要被照亮的人，這樣一方面節(jié)約了能量消耗，另一方面還可以讓這個(gè)局部變得更亮，通信質(zhì)量更好。此外，大家不用擔(dān)心天線(xiàn)數(shù)量增加會(huì)導(dǎo)致5G基站輻射變大。實(shí)際上，同等頻段、覆蓋條件下，單個(gè)5G基站的發(fā)射功率并沒(méi)有顯著增加，陣列天線(xiàn)是更好的利用了無(wú)線(xiàn)電波在空間多路傳播帶來(lái)的好處，來(lái)提高通信速率?？赡軙?huì)有人問(wèn)，那增加5G基站的數(shù)量是不是就會(huì)增加輻射了?請(qǐng)繼續(xù)往下看。黑科技二：微基站密集組網(wǎng)

簡(jiǎn)單說(shuō)，基站有兩種，微基站和宏基站。顧名思義，微基站很小，宏基站很大。宏基站通常一個(gè)覆蓋一大片區(qū)域，幾公里甚至十幾公里。以后更多的將是微基站，到處都裝，隨處可見(jiàn)，每個(gè)覆蓋約200米到300米。

那么增加基站會(huì)導(dǎo)致輻射增加嗎?恰好相反，其實(shí)基站數(shù)量越多，輻射反而越小!試想一下：冬天一群人的房子里，一個(gè)大功率取暖器好，還是幾個(gè)小功率取暖器好?所以，基站越小巧，數(shù)量越多，覆蓋反而越好，速度還快，能讓更多手機(jī)就近接入高速公路。黑科技三：5G新頻譜

頻譜就是無(wú)線(xiàn)通信的路。頻譜資源的多與少，和5G無(wú)線(xiàn)通信的路寬直接對(duì)應(yīng)。那么，5G的頻譜究竟與3G/4G有哪些不同?中頻段、毫米波指的又是什么?這里暫且賣(mài)個(gè)關(guān)子，請(qǐng)大家直接參見(jiàn)此后的頻譜篇。綜上，5G在無(wú)線(xiàn)技術(shù)的三個(gè)維度方面都有新的突破和進(jìn)展。當(dāng)然，5G技術(shù)家族遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止上文提到的這些，還有比如極化碼、新型幀結(jié)構(gòu)等厲害的技術(shù)，在此就不過(guò)多展開(kāi)了。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

說(shuō)完了5G無(wú)線(xiàn)技術(shù)，再來(lái)看看網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)的主要目標(biāo)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是提高基站在接收到手機(jī)等各類(lèi)終端的請(qǐng)求之后，所展現(xiàn)出的響應(yīng)速度、準(zhǔn)確度等。前面提到的，5G最大的“野心”就是向物聯(lián)網(wǎng)拓展，除了面向老百姓日常通信，還要解決各類(lèi)垂直行業(yè)通信的問(wèn)題。此外，5G還給自己提出了極為苛刻的高可靠低時(shí)延的要求。那么5G的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是怎么應(yīng)對(duì)的呢?這里重點(diǎn)講兩項(xiàng)黑科技。黑科技四：網(wǎng)絡(luò)切片

5G網(wǎng)絡(luò)之所以能夠服務(wù)于多種垂直行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是當(dāng)之無(wú)愧最重要的技術(shù)之一。網(wǎng)絡(luò)切片，是根據(jù)不同業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)用戶(hù)數(shù)、服務(wù)質(zhì)量的要求，將網(wǎng)絡(luò)資源從邏輯上切分成多張相互獨(dú)立的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，也即“虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)”。每個(gè)切片完全獨(dú)立定義，用戶(hù)可以快速靈活的部署網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)就像一把瑞士軍刀，有小刀、剪刀、鋸子、瓶起子、開(kāi)瓶器、指甲刀等多種功能(服務(wù)公眾、工業(yè)、電力、交通、物流、家居等)，用戶(hù)有一種訴求，系統(tǒng)就掰一部分功能出去。

黑科技五：移動(dòng)邊緣計(jì)算

在說(shuō)移動(dòng)邊緣計(jì)算之前，我們先簡(jiǎn)要回顧一下終端“計(jì)算”能力的發(fā)展變化。這里“計(jì)算”指的在手機(jī)等終端上為了通信所必須要處理的運(yùn)算工作。早期，所有計(jì)算都在終端上完成。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，一方面終端計(jì)算有瓶頸(終端體積導(dǎo)致的運(yùn)算速度、電池耗電量等)，另一方面，整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)上有很多公共的、閑置的計(jì)算資源，能力遠(yuǎn)大于終端，從而提出了分布式計(jì)算、云計(jì)算等，也即把本地需要的計(jì)算工作量搬到網(wǎng)絡(luò)側(cè)，計(jì)算完了再把結(jié)果返給你。云計(jì)算的好處是極大地提高了終端獲取計(jì)算結(jié)果的效率，但在特定情況下也增加了信息傳遞的時(shí)延。

現(xiàn)在，5G要求毫秒級(jí)的超低時(shí)延，為了滿(mǎn)足這一指標(biāo)，人們提出了移動(dòng)邊緣計(jì)算，利用無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)就近提供服務(wù)和計(jì)算功能，創(chuàng)造出一個(gè)高性能、低延遲與高帶寬的服務(wù)環(huán)境，加快網(wǎng)絡(luò)中各項(xiàng)內(nèi)容、服務(wù)及應(yīng)用的快速下載，讓消費(fèi)者享有不間斷的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。舉個(gè)例子，在一個(gè)家庭里，老婆管錢(qián)(5G核心網(wǎng))，老公(基站)每次花錢(qián)(發(fā)起計(jì)算)都要向老婆申請(qǐng)(將信息傳遞給核心網(wǎng))，假如老公有次結(jié)賬急著付錢(qián)(要求低時(shí)延)，但請(qǐng)示老婆同意一直沒(méi)有答復(fù)(時(shí)延較大)，那可能導(dǎo)致很差的體驗(yàn);但如果老婆允許老公200元以下不用請(qǐng)示(授權(quán)一部分計(jì)算到邊緣計(jì)算)，那么家里花錢(qián)小事的執(zhí)行效率就會(huì)顯著提高(實(shí)現(xiàn)低時(shí)延)。