The Current Status and Challenges of 5G Communication Technology
杨梓煜 YANG Zi-yu
（北京交通大学附属中学，北京 100081）
（The High School Attached to Beijing Jiaotong University，Beijing 100081，China）
摘要：在当今社会中通讯技术是必不可少的一项重要科学技术。在这个高速发展的时代，5G通讯技术的应用更加广泛，但同时也面临着许多挑战与机遇。本文首先梳理了不同时代的通信方法，并对通信科学的一些瓶颈进行分析。然后论述了5G通信的关键技术，包括MIMO，稀疏多址，全双工技术等。本文主要对5G所面对的难题进行了详细研究，并重点分析了频段、频谱、系统容量、成本和终端设备等多方面的问题。为以后学者的进一步研究提供了参考和基准。
Abstract: Communication technology is an important and indispensable science and technology in today's society. And 5G communication technology is at the forefront. In this era of rapid development, 5G communication technology is more widely used, but it also faces many challenges and opportunities. Firstly, this paper combs the communication methods of different times, and analyses some bottlenecks of communication science. Then the key technologies of 5G communication are discussed, including MIMO, sparse multiple access, full duplex technology and so on. Unlike previous studies, this paper mainly studies the problems faced by 5G in detail, and focuses on the analysis of frequency band, spectrum, system capacity, cost and terminal equipment. It provides a reference and benchmark for the further research of scholars in the future. Furthermore, this paper looks forward to the revolutionary changes that 5G technology will bring to society, especially mobile Internet and Internet of Things, after breaking through the relevant bottlenecks.
关键词：5G关键技术；MIMO；稀疏多址；全双工技术；移动互联网；物联网
Key words: 5G key technology；MIMO；sparse multiple access；full duplex technology；mobile internet；internet of things
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）25-0257-03
1 5G的发展历程
1.1 从1G到4G 第一代移动通信系统（1G）是模拟式通信系统[1]，模拟式是代表在无线传输采用模拟式的FN调制，将介于300Hz到3400Hz的语音转换到高频的载波频率MHz上。但是因为模拟通信系统的众多缺陷，经常发生盗号和串号等现象。紧接着是2G通信[1-3]。2G相比较1G有着质的飞跃，由模拟通信信号转变为数字通信信号，相比较于第一代通信，第二代通讯具备高度的保密性，提高了频谱利用率，而且能够提供多种业务。紧接着是3G时代的到来。由国际电信联盟（ITU）发布了3G通信的四种标准制式，分别是CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA以及WIMAX[4]。其中比较让大家熟悉的就是CDMA——码分多址技术。码分多址是3G的技术基础。2014年，4G终于在中国登陆。4G包括了TD-LTE和FDD-LTE两种制式，集3G与WLAN于一体，并且可以以100Mbps的理论下载速度与12.5Mbps的上传速度进行数据传输、高质量的音频、视频与图片传输等。直到当今社会，4G依然是社会中移动通讯的主流技术，在5G技术商业化之前，4G还将会占领一段时间的榜首[5]。
1.2 何为5G 而5G通讯相比于它的前几代有着很大的改变。在速度、稳定性、峰值等方面有极大提升。作为4G通讯的下一代技术，5G将在三个维度上进行同时提升：①通过引入新的无线传输技术将资源利用率在4G基础上提高10倍以上；②通过引入新的体系结构（例如超密集小区结构等）和更加深度的智能化能力将整个系统吞吐率提高约25倍；③进一步挖掘开发新的频率资源（如高频段、毫米波与可见光等），使未来的无线移动通信的频率进一步提升。5G的到来将移动通讯的整体水平提高了一个等级，并且促进了物联网的发展，以其极具优势的传输速度来实现各种物品与网络的连接，以便于满足物联网的需要。但同时，5G也面对一个巨大的挑战：当新兴技术来临时，要保证速度与数量都大大增加的前提下，让用户的总费用不仅不上升，反而要做到下降。这个则需要做到5G在单位流量的价格方面有着巨大的突破。传输速度提升所带来的是用户对流量等使用量的提高，在数量上升且价格下降的整体趋势下，成本问题注定将成为各大运营商上线5G的一大拦路虎[6]。
2 5G的关键技术
2.1 稀疏码多址技术 稀疏码多址技术是5G的关键技术之一。这一技术能增加通讯频段的复用量，使字符串在长度没有太大变化的情况下大大增加所含的信息量[7]。将信息进行分层处理，例如在视频通话方面做到声音与画面使用不同的通讯频段来传输以达到提升速度与稳定的目标。未来的信息传输需求量将因为物联网的发展而大大增加，通过稀疏码多址技术来提高频谱复用量可以使单位字符串的利用率提升。
2.2 大规模MIMO技术 传统MIMO是通过发送端和接收端都配备多根天线来提高通信系统的容量、系统传输数据速率以及传输可靠性[8]。但是传统MIMO技术受限于移动终端尺寸、功耗以及外观的限制，想要进一步提高数据的传输能力，最直观的方法就是增加并行传输的数据流个数或者增加基站天线端口数目。大规模MIMO技术，如图1所示，是指基站配备一百到几百根天线，在相同的视频资源上同时服务多个用户且移动终端一般采用单天线接收的通信方式。规模增大了，天线密度过高、挨得太近容易使传输信道呈现相关性，也会产生导频污染。如何利用好大规模MIMO技术将会是一大难点[9]。手机已经是现代人不可或缺的一种生活用品，更是有人视手机如生命。手机强大的功能性就是建立在移动网路上的，只有连接了通讯网络，手机才能发挥它的功能。在未来50年内，人类对手机、对通讯的需求量将大大增加，而4G则无法胜任这一艰巨任务。5G运用毫米波，将网络通讯速度提高百倍甚至千倍以上。但毫米波也有非常明显的缺陷：穿透能力弱。这使得5G信号不能进行长距离传输。幸而解决方法也十分简单：缩减基站的体积，在城市各个角落中建立类似路灯的微型基站，通过数量来弥补距离上的不足。
2.3 同时同频全双工技术 无线通信设备使用相同的时间、相同的频率，同时发射和接收无线信号，使得无线通信链路的频谱效率提高了一倍。现在的通信一般使用半双工通信或者单工通信。5G在这一方面上做出突破，大大提高了频谱利用率将几近枯竭的频谱翻了一倍[10]。这项技术看上去简单，实则需要进行数字干扰消除、射频干扰消除和数字干扰消除。
3 通讯技术所面对的问题
相信所有人都经历过手机信号不好甚至没有信号、移动数据连接不稳的情况。本文也对连接不稳定的原因进行了分析。
3.1 多卜勒效应 多卜勒效应指的是由于目标高速移动，使得目标速度与电磁波速度差减小。如图2所示，在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低。由于频率的改变，让信号变得不稳定，这就是多卜勒效应。
3.2 地面干扰 在市区有林立的楼房，楼房的钢筋结构会对通讯信号产生一定量的通讯屏蔽。在距离基站位置较远的区域就会产生信号弱或是无信号的情况。5G通讯使用毫米波进行通讯，本身具备穿透能力差的问题，在市区中有不小的劣势。增加基站数量是一个不错的解决思路，但是运营成本，包括维护等等，费用也会大大增加。未来的趋势是民众通讯费用的降低，而运营商的根本目的是盈利，在保持盈利的根本前提上，5G很多表面看上去很好解决的问题就会浮出水面，变成棘手的难题。
3.3 网络频段与网速 在5G的到来之前，大部分通讯频段已经被占用了。5G可以直接使用的通讯频段远远小于其他通讯如4G、3G等。在稀疏码多址技术更进一步之前，相近的频段会有串线等严重的问题。5G相较于4G来说速度虽然有着质的飞越，但是随着物联网技术的发展，5G所连接的物品数量将会几何增长。比如5G的理论速度是4G的100倍，但是由于物联网，需要进行移动沟通的物品数量增加到原来的200倍，那么5G通讯的速度优势可能会有所下降。
4 5G面对挑战
4.1 频段数量不足 频段复用与低频段重耕是解决频段数量不够的两种比较直接的方式。现在频段利用率对于5G来说还是有所缺陷。5G只能通过开通新的频段或者在峰期临时借用一些特殊频段来进行解决，或是将不同的需求放到不同的频段中去。比如在实时视频通话中，将较为复杂的画面信号用5G传输，而将较为简单的声音信号用4G或别的路径分离传输，在接收方处重组画面。用如此方法就可以达到提升速度、减少频段使用的目的。
4.2 频谱效率和系统容量 在未来的时间里，5G使用毫米波进行通信已经是板上钉钉的事情了[11]。严格来讲，毫米波的频率为30GHz到300GHz，对应的波长分别为10mm到1mm。在通信领域，24GHz到100GHz的波段称为5G毫米波。毫米波具有三大天然缺陷：信号衰耗大，易受阻挡，覆盖距离短。与其他无线信号不同的是，毫米波在大气中传播主要受氧气、湿度、雾和雨的影响[12]。毫米波不仅仅容易受到建筑物的阻挡，包括人体本身、甚至拿着手机的手都可以对毫米波进行一定的阻挡。在不久的将来，通信业将会和气象局等联手，通过对降水量的统计，来计算出毫米波无线链路损耗，来确定毫米波的最大传输距离。关于遮挡方面，可以利用墙体反射或者其他反射装置来绕过阻碍物。但是它也具有它的缺陷：功耗大、能效低、衰减大，影响传输速率，而且复杂的建筑环境会影响到反射装置的部署。或者利用空间分集技术，在波束赋形过程中，沿着多个路径，同时发送多个波束，来减轻非视距的衰减，提高连接的稳定性。但这同样也是非常复杂的方法[12]。
4.3 成本控制 5G的另一大挑战就是成本。在当下时代，通信行业有几项固定成本：前期的项目立项，设备招标，设备采购费用；组织施工，搬运材料，房屋租赁、施工费用；基站配套设施、设备，空调、UPS电池、传输线缆等。后期的电费、设备维护成本以及基站测试及优化的费用。这些都是通信公司绕不过的费用。如果还按照现在的计费标准对5G进行计费，在网速提高百倍之后，也许一个眨眼间就是几百MB流量的消失。为了能使5G在市场上能够占据更大的席位，价格方面相较于4G一定要有优势，起码不能成为5G的短板。如何在使用量增加的情况下保证总价格的下降，是技术师们要克服的又一大难题。
4.4 终端设备的性能 随着移动互联网和物联网的兴起，终端不断向便携式、智能化、多元化方向发展，未来联网终端数量将呈爆发式增长，互联网时代的用户长尾化需求、移动互联网时代的用户碎片化需求，将在终端设备形态上得到充分体现。对用户而言，友好的用户体验和应用的多样化成为服务类终端的核心竞争力。因此，要实现低成本多模终端的研发，对终端设备的芯片和工艺、射频技术以及器件、电池寿命等技术研发带来了挑战。
电池是5G发展中硬件上最大的难点之一。5G通信所需的大量高新技术都需要建立在充足完备的硬件设施上。但是很长一段时间以来，科技在马不停蹄地进步，但是电池技术却还是以一种极其缓慢的速度在发展，其电容量依旧与体积有着最大的关系。5G追求数量多，那么缩小体积就是其中必经的一环。若是减小了体积，电池容量便也不可避免的减小了。当高耗能遇到低容量，5G设备的续航便成为其一大问题。
5 总结与展望
5.1 5G之路 5G在正式投入使用之前就已经展现出了它的热度与受欢迎的程度。从热度很高的华为公司来看，它突破了美国的封锁线，已经往全球各地销售达到4万个5G基站，包括瑞士，匈牙利等欧洲国家。在高速网络信息传递的时代下，5G似乎有着无与伦比的优势。从4G到5G可以说是一个质的飞跃，在物联网彻底成熟之后，人类将突破单位个体控制物品总量的极限。
总体来看，如果5G可以突破上述瓶颈，那么可以极大地改善目前的通信条件。5G具有多个应用场景，包括：超高速场景，为未来移动宽带用户提供高速数据网络接入；支持大规模人群，为高人群密度地区或场合提供高质量移动宽带体验；随时随地最佳体验，确保用户在移动状态仍享有高质量服务；超可靠的实时连接，确保新应用和用户实例在时延和可靠性方面符合严格的标准；无处不在的物物通信，确保高效处理多样化的大量设备通信，包括机器类设备和传感器等。[14]
5.2 5G技术的展望——基于移动互联网和物联网的描述 在不久的将来，也许会有许许多多的新兴职业伴随着5G的出现而到来。就比如说万物联网之后的农场主，只需要坐在家里，便可以遥控农场中的各个工具，达到一个人管理一个甚至更多的农场。国际电联将5G应用场景划分为移动互联网和物联网两大类，除了支持移动互联网的发展，还将解决机器海量无线通信需求，极大促进车联网、工业互联网等领域的发展[15-16]。就目前规划来看，5G网络不仅传输速率更高，而且在传输中呈现出低时延、高可靠、低功耗的特点，低功耗能更好地支持物联网应用。所谓物联网，就是“万物互联”，所谓海量物联网，指的是每平方公里至少有100万台设备无时无刻不在连接。海量物联网的应用场景大致包含以下部分：资产跟踪、智能农业、智慧城市、能源/公用事业监控、实体基础设施、智能家居、远程监控、信标和联网购物，如图3所示。海量物联网是5G相比于前几代一个全新的应用领域。在这些用例中，我们可以看到5G变革性的影响。
这样的例子还有很多，物联网会是一个全新的时代，当全球完全物联网化之后，也许真的会出现“地球村”，足不出户便能完成一天的任务，随意通过无人机和VR技术欣赏到世界各地的景象。不仅如此，未来医生可以通过机械臂对距离较远的紧急病患进行手术，它的视觉通信和操作通信都离不开延迟在1ms以内的5G线路。随着5G的普及与应用市场的不断发展，空间上的距离不再能够限制人类活动，也可以大大提高虚拟世界与现实世界的联系。
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