5G基本原理

胡亞軒　劉艷蓉

摘要：隨著中國科技的不斷發展，互聯網技術得到了質的飛躍，這極大的改善了人民的生活水平。自5G概念提出以來，備受全國人民關注，所以為了深入了解5G技術，我們進行了為期一周的“掀起5G熱潮，共享5G時代”的實踐活動。我們圍繞著5G技術的概念、5G技術的特點、5G技術的天線、5G技術的應用以及社會對5G的了解層度展開了此次實踐活動。

關鍵詞：第五代移動通信技術;5G特點;應用;調查。

引言

在本次實踐中，我們對湖北省信產通信服務有限公司的經理、參與5G天線建設的技術工作人員以及普通群眾進行了采訪調查。了解到不少實際問題情況和社會現實問題。并在工作人員的帶領下參觀并學習了5G機房的日常維護以及基站的基本原理，親身體驗到了5G的魅力，感受到了它對我們的作用之大。

一、5G

（一）5G概念

5G是指第五代移動通信技術，是最新一代的蜂窩移動通信技術，是4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系統后的延伸。5G的性能目標是高數據速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模設備連接。

（二）5G的發展背景

近年來，第五代移動通信系統5G已經成為通信業和學術界探討的熱點。5G的發展主要有兩個驅動力。一方面以長期演進技術為代表的第四代移動通信系統4G已全面商用，對下一代技術的討論提上日程;另一方面，移動數據的需求爆炸式增長，現有移動通信系統難以滿足未來需求，急需研發新一代5G系統。

5G的發展也來自于對移動數據日益增長的需求。隨著移動互聯網的發展，越來越多的設備接入到移動網絡中，新的服務和應用層出不窮，全球移動寬帶用戶在2018年有望達到90億，到2020年，預計移動通信網絡的容量需要在當前的網絡容量上增長1000倍。移動數據流量的暴漲將給網絡帶來嚴峻的挑戰。

二、5G的特點

（一）高速度

5G最大的一個特點就是高速度，相比于4G網絡而言，5G有更高的速度，而對于5G基站峰值要求不低于20Gb/s。

（二）泛在網

泛在網有兩個層面的含義。一是廣泛覆蓋，一是縱深覆蓋。廣泛指的是我們生活的各個地方都需要廣泛覆蓋;縱深是指我們生活中，雖然已經有網絡部署，但是需要進入更高品質的深度覆蓋。

（三）低功耗

5G要支持大規模物聯網應用，就必須要有功耗的要求。而5G就能把功耗降下來，讓大部分物聯網產品一周充一次電，甚或一個月充一次電，就能大大改善用戶體驗。

（四）低時延

當5G應用于無人駕駛汽車時，5G對時延的最低要求是1ms，甚至更低，這樣才能在駕駛過程中減少意外事故的發生。這就是要對網絡提出更嚴酷的要求。

（五）萬物互聯

在進入5G時代以后，除了手機、電腦等可以上網外，越來越多的智能家居設備、可穿戴設備等各種不同類型的設備均可接入互聯網。

三、5G天線建設

按照業界的定義，天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導行波變換成在無界媒中傳播的電磁波，或者進行相反的變換，也就是發射或接收電磁波。通俗點說，無論是基站還是移動終端，天線都是充當發射信號和接收信號的中間件。

5G技術最大的亮點之一便是高速率，相比于4G網絡而言，5G有更高的速度，而對于5G基站峰值要求不低于20Gb/s。而實現高速率的關鍵便是毫米波和波速成型技術。顯然，傳統天線無法完成這個要求。毫米波的波長較短，在Massive MIMO系統中可以在系統基站端實現大規模天線陣列的設計，從而使毫米波應用結合在波速成形技術上，這樣可以有效提升天線的增益。但也是由于毫米波的波長較短，所以在毫米波通信中，傳輸信號以毫米波為載體時容易受到外界噪聲等因素的干擾和不同程度的衰減。毫米波由于其頻率高、波長短，具有如下特點：

（一）頻譜寬

配合各種多址復用技術的使用可以極大提升信道容量，適用于高速多媒體傳輸業務;

（二）可靠性高

較高的頻率使其受干擾很少，能較好抵抗雨水天氣的影響，提供穩定的傳輸信道;

（三）波長極短

所需的天線尺寸很小，易于在較小的空間內集成大規模天線陣。

也正是上述的特點，使得毫米波在自由空間中傳播時具有很大的路徑損耗，而且反射之后的能量急劇衰減，導致毫米波通信主要是視距傳播和少量的一次反射的非視距傳播，導致其稀疏的信道特性。建成5G后，5G網絡強大的數據傳輸能力，極強的穩定性以及大范圍的覆蓋率給大數據時代帶來了很多的好處，在部分建設好的地區可以時用戶體驗到10M/S 及以上的傳輸速率，通過網絡給社會發展與人們提供保障。

5G基站可以支持大規模天線陣列，可配置的天線數量甚至可以達到1024根。要充分發揮這些大規模天線陣列的潛力，5G的波束成形技術絕對必不可少。在空間傳播過程中，無線信號的質量會出現衰減。這種被稱之為“路損”的衰減現象會對通信系統產生巨大的影響。特別是對于毫米波段的5G通信系統，高達幾十dB的信號衰減可能會導致系統無法正常工作。在這種情況下，波束成形技術就可以大顯身手，有效對抗路損。研究人員在很久之前就已發現：多天線通信可以提高無線信號的傳輸質量。波束成形技術通過調節各天線的相位使信號進行有效疊加，產生更強的信號增益來克服路損，從而為5G無線信號的傳輸質量提供了強有力的保障。

四、5G應用方面

按照5G的標準來看，5G的特點集中在三個方面，分別是增強移動帶寬、海量物聯和高可靠低延時?；谶@三個特點，未來可以預見在5G時代，物聯網的相關應用將得到全面的發展，而物聯網又是大數據和人工智能的重要基礎，所以在自動駕駛、智慧醫療和VR/AR等領域將有巨大的發展機會。

（一）自動駕駛

自動駕駛將在5G時代會有一個快速的發展期，在一些特定場景下，自動駕駛將會率先實現落地應用，比如在農業領域。農業領域的設備自動駕駛具有較強的現實意義，一方面農業機械的駕駛往往具有清晰的路線規劃，另一方面駕駛的強度也比較大，自動駕駛會在很大程度上降低農業勞動者的工作強度。

（二）智慧醫療

5G在醫療領域的應用也會具有較強的現實意義，比如醫生的遠程治療（手術等）對于網絡的要求會非常高，而5G完全可以滿足這樣的要求，所以未來遠程診療將成為一種常見的診療方式。

（三）VR/AR

VR/AR業務對帶寬的需求是巨大的。高質量VR/AR內容處理走向云端，滿足用戶日益增長的體驗要求的同時降低了設備價格，VR/AR將成為移動網絡最有潛力的大流量業務。雖然現有4G網絡平均吞吐量可以達到100Mbps，但一些高階VR/AR應用需要更高的速度和更低的延遲。5G的延遲減少了10倍，流量容量提高了100倍，網絡效率提高了100倍，5G可以解決這些問題，這對于大規模采用AR和VR至關重要。

在現代化社會中，經濟的持續發展帶動了5G 技術的持續發展。隨著通信技術的統一，芯片的高度集成化，和網絡建設經驗的積累，這些都大大的降低了網絡的“運營門檻”。競爭完全同質化，通信行業歷史上前所未有的同質化。對于社會公眾來說，一個淺顯的認識可能是網速的提升。其實，5G 最大的優勢體現在通過互聯網實現物品與物品之間的信息交換和通信。5G技術的正式商用，必將發展智能家居、智能穿戴、遠程醫療、智慧城市等。5G是通信技術的變革，更是一場端到端的跨行業革命。5G進程的加速，可以讓我們更快的迎來萬物互聯的新時代。

參考文獻：

[1] 劉俊明.5G目前都有哪些應用.[C].2018

[2] 智東西.談波束成形技術：5G通信速度可以開始飛了！[C]。2017

作者簡介：

胡亞軒，女，漢族，湖北天門，大學本科，主要從事5G基本原理的調查研究

劉艷蓉，女，漢族，甘肅平涼，大學本科，主要從事5G基本原理的調查研究

（作者單位：武漢東湖學院 電子信息工程學院）