一文解析5G未来应用及技术难点

5G即为第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术。根据 IMT-2020 网络对5G 的设计理念，5G关键技术以 SDN、NFV和云为基础，向着自动、智能、灵活、高效、稳定的方向发展。5G峰值网络速率将达到10Gbps、网络传输速度比4G快10-100倍、网络时延从4G的50毫秒缩短到1毫秒、满足1000亿量级的网络连接。

1   加速普及物联网

从 4G 开始，物联网在智能家居行业已经兴起，但只是处于初级阶段。未来数年，5G的更高速率、更短时延、更大规模、更低功耗，将能够有效满足物联网的特殊应用需求，从而实现自动化和交通运输等领域的物联网新用例，加快物联网的落地和普及，如智慧医疗、车联网、智能家居、环境监测等。

2   普及云端化生活

如果 5G 时代到来，4K 视频甚至是 8K 视频将能够流畅实时播放 ；云技术将会更好的被利用，生活、工作、娱乐将都有“云”的身影；极高的网络速率也意味着硬盘将被云盘所取缔 ；随时随地可以将大文件上传到云端。由于智能终端和应用的普及，使得移动数据业务的需求越来越大，内容越来越多，按需智能推送内容，提升用户体验。移动互联网推动移动智能终端进入和构成移动设备云。

3   提升智能交互

VR直播、无人机阵列、无人驾驶汽车、人工智能、远程医疗间的数据交换，都需要运用到5G 技术进行庞大的数据吞吐量，并具有极短的延迟时间。城市交通、市民生活、医疗健康、生活治理将迈入新的时代。在多平台开发应用的基础上实现 5G 网络超高速数据传输、低延时用户感知，未来全新多方位的用户体验将呈现在使用者面前，例如虚拟导航将通过超高速数据用户体验实时访问城市街道及大型场景建筑地图数据库；移动远程医疗的用户可以根据 5G 低延时、高速特性在没有医疗室高速行驶的列车上通过视频通信获取远端医生的协助，及时运用人工智能手段解决用户医疗难题。

5G的技术体系

和4G相比，5G的提升是全方位的，按照3GPP的定义，5G既包括大规模天线，超密集组网，新型多址技术、全频谱接入及新型网络架构等关键应用技术，也包括新型信息中心网络、软件定义网络、虚拟化、云存储等基础支撑技术。总的来说，5G的技术体系分为基础技术和应用技术两个层面。

一、基础技术 

1   新型信息中心网络

传统通信 TCP/IP 网络难以实现全面海量数据的发布，而以 ICN（信息中心网络）为代表的新技术优势日益明显。5G注重利用 ICN、IP 的双重结合，针对扩展性、数据移动性、数据部署等情况设定实用型目标战略，与 SDN（软件定义网络）相互融合，考虑数据平面与控制平面的网络架构情况，并为其提供动态配置环境。

2   SDN(软件定义网络)与 NFV(网络功能虚拟化）

利用数据分离、软件化、虚拟化概念，为 5G 移动通信网络提供技术支撑，也是欧盟所公布的 5G 网络发展审核标准的重要内容。SDN 以基础设施层（网络最底层）、中间层（控制层）、最上层（应用层）为主，涵盖了 API 网络资源调用内容。NFV 是从网络运营商的角度出发的网络体系，利用 IT 技术平台来实现功能虚拟化，并与所对应的功能块相衔接，便于统一调用相关虚拟资源。

3   5G芯片技术

在高宽带收发系统、可见光通信、调制解调器、移动终端、大规模天线、云后台服务等诸多环节都需要芯片支撑，而且比4G的性能要求更高、尺寸更小。

4   云后台服务

云服务安全、可靠并形成中心式云后台，利用量子密码学进行实现5G安全的实现，可以有效的避免不必要的资源浪费，并且可以降低物理层面的存储支出，有效缩减第三方的存储器代理提供的费用。

二、应用技术 

5G的关键应用技术分为覆盖增强技术、频效提升技术、频谱扩展技术、能效提升技术等四个类别。

1   覆盖增强技术

在云后台技术的支撑下，覆盖增强技术由密集异构组网组成。缩小覆盖半径，以频谱资源的空间复用，提高频谱效率，从而提高业务量。在 5G 的超密集异构网络中，利用宏站和低功率小型基站进行覆盖，包括4G、Wi-Fi、LTE 等多种异构网络，通过增加站点密度减少节点间的距离，使网络节点距离终端更近，令频谱效率以及系统容量得到大幅度的提升。

2   频效提升技术

一是MIMO (MulTIple-Input MulTIple-Output)天线技术。该技术是在接收端及发送端使用多个天线进行接收和发送，大规模的增加天线数量，在不增加频谱资源或总功率耗损的条件下提高信道容量、吞吐量及传送距离，从而改善通信质量。

二是可利用节点扩展技术。大规模 MIMO中基站天线的数量    阵列没有空间时域限制，并且上行导频采用的是时分双工进行的信度估计，将大大提升频效。

三是新型传输波形。OFDM（正交频分复用。一种无线环境下的高速多载波传输技术。）是当前 Wi-FI和 LTE 标准中的高速无线通信的主要传信模式，与传统的 FDM 模式相比，频谱利用率提升接近 1 倍，而且具有抗频率选择性衰落，并可充分的利用 FFT/IFFT模块，实现容易、易操作。OFDM 仍然是未来 5G 的关键传输波形技术，但是其性能参数等有待优化提高。

四是非正交多址接入技术。非正交多址接入技术（NOMA）把功率域由传统的单用户改为多用户共享，并把无线接入能量提升 50%，非正交多址接入技术新增功率域，可以满足每个用户不同的路径损耗实现复用。

五是先进调制编码技术。为了将来在有限的通信资源基础上实现更高层次的吞吐量、高频谱利用率及高服务高运转速度的无线传输，5G 迫切需要实现编码空间调制，即在传统的二位映射基础上延伸至三维映射中去，并以天线实际的物理位置定位为依据来携带部分发送信息，以此提高频谱效率。

3   频谱扩展技术

频谱扩展技术是当今最先进的无线通信技术，包括认知无线电、毫米波、可见光通信等技术。一是认知无线电，是伴随移动通信领域快速发展的无线电通信频谱利用率的新技术，认知功能的无线通信有效地利用时间和空间上的空闲频谱资源来提供无线通信务，全动态利用“频谱空穴”，并在此资源基础上利用空间、时间适时调整功率、频率、调制及其它动态参数获取最佳的频带利用效果。二是毫米波，采用毫米波通信能够很有效的缓解频谱资源紧张的状态也可以提升通信容量。由于 5G的超密集异构网络，毫米波具有波束集中，提高能效 ；方向性好，受干扰影响小 ；波束窄的特点，具有很强的抗干扰能力提高通信的可靠性。三是可见光通信，可见光通信具有广泛性、高速率性、宽频谱、低成本、高保密性、实用性等特点，在物联网、移动通信等领域获得广泛认同新技术，其应用渗透到航空、军事、地铁、通信等领域，并在未来 5G 通信中占有一席之地。

4   能效提升技术

一是多域协同无线资源管理，主要是业务域话音、非实时数据、实时数据、多媒体及广播和用户域协同合作利用，并在充分配合码域、时域、空域、频域及能量域的资源域共同完成多域协同资源的管理；二是多协同可以实现跨层资源的联合调度，在跨网优化中实现协同通信，促进交流、增加合作，跨网资源联合优化配置。  

国内5G的技术难点

1   5G芯片

国外高通、英特尔等企业领先国内华为、中兴。在2017年世界互联网大会上，高通基于面向移动终端的5G调制解调器芯片组成功实现全球首个正式发布5G数据连接。英特尔推出了首个支持5GNR的多模商用调制解调器家族——英特尔XMM8000系列。其中XMM8060为英特尔首款多模、全频段的商用5G调制解调器，预计于2019年中用于5G商用客户设备。我国华为、展讯等企业也相继推出了5G芯片，但是在基带技术上与英特尔、高通有着不小的差距。根据不久前展讯展示的芯片技术路线图，将会在2019年底前推出基于3GPP R15标准的5G基带芯片，可以估测其技术与世界领先水平还有3-5年的差距。虽然在2017世界互联网大会上，华为获得“3GPP 5G预商用系统”科技成果奖，但仅显示华为在网络侧的实力。华为发布的5G芯片组，体积比较大，并不适合于移动终端对尺度、功能和衔接速率的完美需求。高通X50芯片的体积和50分欧元硬币差不多大，充分显示其技术实力和领先地位。从深层次来看，国内外芯片方面的主要差距表现在：

一是关键核心技术缺失。国外射频芯片和器件技术已经非常成熟，尤其是面向高频应用的BAW和FBAR 滤波器，我国BAW和FBAR专利储备十分薄弱，自主研发面临诸多壁垒。二是缺乏成熟的商用工艺支撑，整体落后世界领先水平两代以上。砷化镓、氮化镓等化合物半导体代工市场主要集中在我国台湾地区；锗硅和绝缘硅材料工艺方面主要被格罗方德、TowerJazz等大厂掌控。三是产业链上下游协同性不够，当前我国面向5G，国内芯片缺乏与软件、整机设备、系统应用、测试仪器仪表等产业生态环节的紧密互动。

2  云计算软硬件

5G 网络是由大型服务器组成的云计算平台，主要通过具有数据减缓功能的路由器和交换机网络来连接基站，采用宏基站能够实现云存储功能，通过云计算处理时效性强的数据、处理多样化的业务、产生功能多样化的连接方式，全面实现信息通信技术的智能化。5G 的云化趋势包括 ：基带处理能力的云化( 云架构的RAN， 即 C-RAN)、 采 用 移 动 边 缘 内 容 与 计 算 (mobile ed gecontent and compuTIng，MECC)、终端云化 。C-RAN 是将多个基带处理单元（baseband unit， BBU）集中起来，通过大规模的基带处理池为成百上千个远端射频单元(remote radio unit，RRH)服务。 此时，基带处理能力是云化的虚拟资源。5G将采用 MECC， 即在靠近移动用户的位置上提供IT 服务环境和云计算能力，使应用、服务和内容部署在分布式移动环境中，针对图像、视频、制图等，将计算和存储卸载到无线接入网，从而降低了对通信带宽的开销，并提高了实时性。

但是，云计算的服务器、存储系统、云终端及虚拟化软件、中间件、云调度、软件定义网络等关键技术和设备的生产被国外企业VMware、EMC、OPENSTACK、IBM等掌控。在云服务方面，亚马逊占领全球一半以上的市场份额；在海量存储方面，国内市场一直被EMC、三星、SK海力士、美光、东芝等国际存储器巨头所垄断，国内存储器的发展一直比较缓慢。

3   毫米波高频及高频器件

首先5G需要在复杂应用场景中提供几百Gibt/s甚至几个Gbit/s的通信能力，需要高、中、低频协同工作，频段高意味着波长小、相应的天线尺寸小，偏向于采用多天线。

其次高频信号衰落快，需要超密集组网，在人口密集的特大城市，将面临城市居民的潜在阻力，并且中心城区高楼密集，对有较强方向性特征的高频数据的遮挡不可避免，很难形成最佳用户体验。

第三，高频关键器件的特性和成熟度对系统设计也带来一些新的挑战。我国5G试验已经规划了26GHz和39GHz作为高频试验频段，但是此前高频段较少应用于民用通信领域，所以相关产业链配套环节并不十分成熟，其中最突出的问题就是高频器件较为薄弱，研制大带宽、低噪声、高效率、高可靠性、多功能和低成本的高频器件，仍是产业化的瓶颈。

国际上，三星公司在毫米波高频及高频器件方面走在了前列，早在2016年三星和我国双方共同完成5G毫米波的关键技术测试。同年12月1日，三星又与日本电信巨头KDDI Corp. 携手，成功在时速超过100公里的火车上，首度实现了在5G网络下的数据传输，传输速度顺利达到 1.7Gbps。

4   5G排除信号干扰的算法

一是现有的干扰协调算法已不再适用。在 5G 移动通信网络中，干扰是一个必须解决的问题。网络中的干扰主要有:同频干扰，共享频谱资源干扰，不同覆盖层次间的干扰等。现有通信系统的干扰协调算法只能解决单个干扰源问题，而在 5G 网络中，相邻节点的传输损耗一般差别不大，这将导致多个干扰源强度相近，进一步恶化网络性能，使得现有协调算法难以应对。

二是为了满足移动性需求，需要新的切换算法。在超密集网络中，密集地部署及形状的不规则，导致频繁复杂的切换。新的切换算法和网络动态部署技术成为研究重点，除了通信算法的传统技术路径以外，神经网络等算法逐渐被人们所重视，但目前的高端算法掌握在GOOGLE、FACEBOOK等国际巨头手中。

5   5G网络安全

一是5G 网络和业务运维的安全问题。5G 采用的是通用硬件台带来低可靠性问题，与5G 服务工业互联网、车联网等的高可靠性相互冲突，需进一步研究如何提高在通用硬件平台上实现电信协议的可靠性。二是接入设备的双重身份引发的安全问题。未来移动接入设备( 例如智能手机) 可以临时升级成为小基站，以扩大网络的覆盖面积。但是这样的设备角色切换，在安全层级上使得智能手机具有更高权限，而其他接入设备则需要通过该智能手机传递信息，由此可能引发信息泄露以及安全管理问题。三是超高密度用户接入引发的安全问题。5G 网络提供对与海量用户访问的支持，但是由于网络中海量用户的接入需求，服务器端可能也会接收到来自于海量用户的安全认证需求，这将可能面临针对海量用户加密方法、加密服务器性能以及新的感知网络、人工智能病毒攻击带来的安全问题。