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引子

作為一名80后，從記事起到現在，我和我的家庭經歷了從固定電話、撥號上網到寬帶入戶、提速降費，從網吧聊天室、家用臺式機到平板電腦，從軟盤、硬盤再到u盤、云存儲，從BP機、大哥大、小靈通到智能手機。短短二三十年，我生活中的通信產生了翻天覆地的變化。剛上大學時，我擁有了自己的第一部2G手機，TFT屏幕，32和弦鈴聲，使用“動感地帶”30元/月套餐，這些仿佛還在昨天。而今天，我們的國家就要迎來5G時代了。

從1G、2G、3G國民逐漸普及手機，到今天意氣風發的4G，再到即將迎來的5G全面商用，我國移動通信產業在改革開放40年中取得了全世界令人矚目的發展成就，切切實實惠及了每一個人。值此新中國成立70年之際，我們特此撰寫5G科普文章，為人們進一步認識5G、迎接5G做出一份努力。

國家無線電監測中心 王坦

5G技術科普

5G的G，是英文Generation的縮寫，就是“代”的意思。所以，5G就是“第五代”移動通信系統的簡稱。這就跟五環比四環多一環是一個意思。關于移動通信演進史的文章有很多，本文暫不贅述。

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

5G的“野心”

首先，5G在服務老百姓的日常通信需要上，各項指標當然要比4G更厲害啦。這也是5G看家本領，三大場景之一：增強的移動寬帶(eMBB)。先看看在這方面5G比4G從能力上提高了多少吧。根據一項互聯網報告，世界上最快的4G網速(平均63 Mb/s)和最快的寬帶網速(平均189 Mb/s)加在一起，也沒有 5G 的網速高(理論可達10Gb/s)。5G網速完全能夠把他們按在地上摩擦。

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圖1 5G網速對比圖網速的大幅提升，可以轉化為很多能力的增強，比如：下載速度更快(高清電影下載以秒計)，觀看視頻質量更高(1080p、4k、8k不是夢)，多媒體服務模式更加先進(虛擬現實浸入式體驗、增強現實等)，在現有相同數據速率下支持更多用戶同時在線、或單個用戶時延大幅降低(減少網絡卡頓、等待時間)等。但如果你以為5G就這點能耐，那就大錯特錯了。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。簡言之，5G真正目標在于連接萬物。這里面包括了5G三大場景的另外兩個：高可靠低時延(URLLC)以及大規模機器通信(mMTC)。什么是高可靠低時延?這展現了5G連接萬物快、準、狠的能力。舉個例子，人開車時，從發現情況到腳踩剎車，大腦反應時間一般是10毫秒到50毫秒(也即1秒的1%-5%那么長)，而5G的低時延，能力要求是1至幾毫秒的量級。此外，5G對通信可靠性的要求達到了5個9(99.999%)，針對這種能力，平時玩個手游、刷個網頁、看個視頻根本理解不到5G技術的厲害之處，而在自動駕駛、工業控制、遠程醫療等對精度和時間要求很高的通信場景下，5G才能夠最大限度的發揮出技術優勢。

圖2 5G低時延示意圖 

而在大規模機器通信方面，則展現出了5G連接萬物的維度和廣度。5G可以支持每平方公里接入100萬個設備，是4G的10倍。

隨著5G連接萬物能力逐漸滲透到我們日常生活的方方面面，我們家里的電視、冰箱、洗衣機、音箱、燈、水電燃氣表、門鎖，城市里的路燈、車輛、紅綠燈、攝像頭、物流，體育賽事、演唱會、聯歡會的每一個視頻錄像機位，工廠里的產線、貨架、機械臂，農田里的傳感器、水管，每個病人所攜帶的傳感器、監護儀，每一件食品、藥品等等，全都可以在5G網絡中擁有自己的一張“sim卡”，可以同你的手機直接建立連接。

圖3 5G大連接示意圖

注意，這些設備未來是可以直接連接到5G的哦，不是先通過家里WiFi或其它渠道間接與你的手機連接。這時你通過一部5G手機就真的實現了“信息隨心至，萬物觸手及”的5G終極愿景。

圖4 5G各類應用示意 

5G技術簡述

5G的上述“野心”絕不是信口開河，因為5G有一攬子新的通信技術來實現目標。這里我們細細道來。通信技術，無論什么黑科技、白科技，只分兩種——有線通信和無線通信。通常情況下，你手機里的語音、數據(包括你在各種App里點擊等操作的信息)，首先通過無線電波傳遞到附近的基站，然后通過光纖傳遞到核心網處理。接下來，如果你是要連接他人或物，相關消息會轉發到你通信目標附近的基站，然后再用無線電波傳遞到對方的手機或電腦等其它終端;如果你是單方面獲取互聯網服務，那就是核心網通過連接其它互聯網資源(如視頻播放等)，將你的請求所對應的反饋傳遞回給你。

圖5 通信傳輸路徑示意圖

其中，有線通信的傳輸，想要高速很容易，實驗室中，單條光纖最大速度已達到了26Tbps(1Tbps = 1000 Gbps = 1000×1000 Mbps)，是傳統網線的兩萬六千倍。而無線通信的傳輸，才是整條通路的瓶頸。

圖6 無線通信和有線通信示意

上面這段話可能把你搞暈了。簡單說，信息傳遞的路，要先走一段“無線通信”的小路、窄路，然后再匯聚到“有線通信”的超寬的高度公路，距離目的地“最后一公里時”，再從大路下到“無線通信”的小路，最終到達目的地。所以說，無線通信的那段路，是5G重點要加寬、提速的部分。除此之外，網絡技術體現著5G在網絡中處理信息、反饋信息、提供服務的效率，也是5G需要演進的內容。下面分別介紹。 

5G無線技術“三駕馬車”

無線通信想要提高容量，主要有這么三個維度：

一是提升手機等終端到基站“點到點”的網速;也即，把上文提到的無線通信的“小路”修的更加平整、暢通，讓車速能夠直接提高。二是增加基站數量，增加手機等終端就近連接基站的機會;也即，多修建一些通向主干道的小路，車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，讓小路上可以同時跑更多車、更寬更大型的車，并且跑的更順暢。

圖7 5G無線技術發展“三駕馬車” 

不論哪一代移動通信演進，這“三駕馬車”都會并駕齊驅。那么5G在這三方面都有什么黑科技呢?黑科技一：大陣列天線的波束賦形為了提升“點到點”信息傳遞的速度，5G大幅提高了天線數量，從傳統4G的2發2收，到后4G時代的8發4收，到了5G現在叫大陣列天線，“大”到64發、128發甚至512發。 

圖8 

大陣列天線有什么好處呢?這時就該波束賦形這個黑科技亮相了。陣列天線通過對每一根天線的發射進行調整，可以實現整個天線陣列發出一個賦形、有指向的波束。 

傳統天線好比一個大路燈，燈泡朝向下方或者一個固定方向。這個時候雖然也照亮了某個位置的人，給他提供了服務，但是還有很多光的能量是射向其它沒有人的地方的(沒有發起通信業務需要)，造成了很大的能量浪費。

而大陣列天線提供的波束賦形，就像是聚光燈，把光束打給正在需要被照亮的人，這樣一方面節約了能量消耗，另一方面還可以讓這個局部變得更亮，通信質量更好。此外，大家不用擔心天線數量增加會導致5G基站輻射變大。實際上，同等頻段、覆蓋條件下，單個5G基站的發射功率并沒有顯著增加，陣列天線是更好的利用了無線電波在空間多路傳播帶來的好處，來提高通信速率。可能會有人問，那增加5G基站的數量是不是就會增加輻射了?請繼續往下看。黑科技二：微基站密集組網

簡單說，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。宏基站通常一個覆蓋一大片區域，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，每個覆蓋約200米到300米。

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

頻譜就是無線通信的路。頻譜資源的多與少，和5G無線通信的路寬直接對應。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?這里暫且賣個關子，請大家直接參見此后的頻譜篇。綜上，5G在無線技術的三個維度方面都有新的突破和進展。當然，5G技術家族遠遠不止上文提到的這些，還有比如極化碼、新型幀結構等厲害的技術，在此就不過多展開了。

5G網絡技術

說完了5G無線技術，再來看看網絡技術。網絡技術演進的主要目標，簡單說就是提高基站在接收到手機等各類終端的請求之后，所展現出的響應速度、準確度等。前面提到的，5G最大的“野心”就是向物聯網拓展，除了面向老百姓日常通信，還要解決各類垂直行業通信的問題。此外，5G還給自己提出了極為苛刻的高可靠低時延的要求。那么5G的網絡技術是怎么應對的呢?這里重點講兩項黑科技。黑科技四：網絡切片

5G網絡之所以能夠服務于多種垂直行業的應用場景，網絡切片技術是當之無愧最重要的技術之一。網絡切片，是根據不同業務應用對用戶數、服務質量的要求，將網絡資源從邏輯上切分成多張相互獨立的專用網絡，也即“虛擬專用網絡”。每個切片完全獨立定義，用戶可以快速靈活的部署網絡。5G網絡就像一把瑞士軍刀，有小刀、剪刀、鋸子、瓶起子、開瓶器、指甲刀等多種功能(服務公眾、工業、電力、交通、物流、家居等)，用戶有一種訴求，系統就掰一部分功能出去。

黑科技五：移動邊緣計算

在說移動邊緣計算之前，我們先簡要回顧一下終端“計算”能力的發展變化。這里“計算”指的在手機等終端上為了通信所必須要處理的運算工作。早期，所有計算都在終端上完成。后來人們發現，一方面終端計算有瓶頸(終端體積導致的運算速度、電池耗電量等)，另一方面，整個互聯網上有很多公共的、閑置的計算資源，能力遠大于終端，從而提出了分布式計算、云計算等，也即把本地需要的計算工作量搬到網絡側，計算完了再把結果返給你。云計算的好處是極大地提高了終端獲取計算結果的效率，但在特定情況下也增加了信息傳遞的時延。

現在，5G要求毫秒級的超低時延，為了滿足這一指標，人們提出了移動邊緣計算，利用無線接入網絡就近提供服務和計算功能，創造出一個高性能、低延遲與高帶寬的服務環境，加快網絡中各項內容、服務及應用的快速下載，讓消費者享有不間斷的高質量網絡體驗。舉個例子，在一個家庭里，老婆管錢(5G核心網)，老公(基站)每次花錢(發起計算)都要向老婆申請(將信息傳遞給核心網)，假如老公有次結賬急著付錢(要求低時延)，但請示老婆同意一直沒有答復(時延較大)，那可能導致很差的體驗;但如果老婆允許老公200元以下不用請示(授權一部分計算到邊緣計算)，那么家里花錢小事的執行效率就會顯著提高(實現低時延)。