5G發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

趙中亮

摘要：通過介紹5G的概念及其發(fā)展歷程，分析5G將來可能部署的場景與制定標準，概括介紹了5G的4個核心技術(shù)，最后提出5G在和不同應用場景結(jié)合時需面臨的一些問題。

關(guān)鍵詞：5G發(fā)展趨勢;智能化;信息化

中圖分類號：F293 文獻標識碼：A

文章編號：1001-9138-（2019）11-0020-22 收稿日期：2019-10-31

5G的全稱是第五代移動通信技術(shù)。5G有一些核心指標：第一個是峰值速率，就是單個用戶用手機或者是筆記本電腦下載電影的速率可以達到前所未有的新高度，這是5G目前最大的一個賣點。第二個很重要的指標就是時延，有一些應用對時間延遲有非常高的要求。比如說在智能交通領(lǐng)域，智能公交系統(tǒng)的紅、黃燈切換需要在極短時間內(nèi)完成。分布在馬路邊的傳感器需要將實時路況信息采集并傳輸?shù)胶笈_處理，這些信息的采集和處理對時間有非常高要求。另外一種大家常見的低時延應用是VR也就是虛擬現(xiàn)實或者增強現(xiàn)實。現(xiàn)在的虛擬現(xiàn)實或者增強現(xiàn)實應用里有一個很大的問題，就是大部分佩戴VR頭盔的應用都需要有線連接從而滿足低時延的要求。借助于5G網(wǎng)絡的高帶寬特性，這個線可以被去掉，這就要求頭盔上所有的傳感器數(shù)據(jù)都要通過無線傳輸與后端的云相連。第三個核心指標，就是5G將會支持更快的移動速度，從4G時代中最高300km/h到5G時代的500km/h，甚至更快。

從技術(shù)層面來說，我們現(xiàn)在5G的技術(shù)開發(fā)在很多領(lǐng)域可以說是處于世界領(lǐng)先地位，特別是以華為、中興等為代表的企業(yè)的研發(fā)能力很強。但我國整體的5G部署相對歐美一些發(fā)達國家來說還是比較落后。5G其實對手機端應用性能的提升可能并沒有想象中那么大，它的核心優(yōu)勢在一些新的應用上可能體現(xiàn)得更明顯，比如說虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實或在一些物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上的應用，這些新的場景將會是5G的核心應用。

圖1展示出5G可能部署的場景，可以看到在5G時代，所有的信息都是以人為核心的。這包括越來越多的可穿戴設備，甚至手機、眼鏡、手表、戒指、鞋、手環(huán)等等都會有實時的數(shù)據(jù)采集功能。然后這些設備可能和家里的智能家居或辦公室、休閑娛樂設備以及云端服務器都是相連的，所有的數(shù)據(jù)可以實時互傳。圖1中最外面的圈代表著5G將帶來的新應用場景，包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療、智能教育，等等。

如圖2所示，5G標準的制定首先是由全世界的電信運營商（比如我國的中國聯(lián)通或者法國的Orange等）和設備制造商（比如我國的華為、中興或芬蘭的諾基亞等），連同相關(guān)高校和研究所聯(lián)合開展5G方面的科學研究。這個過程一般發(fā)生在最終標準提前的大概10年左右開始。研究成果提交到區(qū)域性的國際組織討論。對5G來說目前在國際上比較有權(quán)威的這么一些國際組織，包括國際電氣電子工程師協(xié)會（IEEE），另外一個就是國際電信聯(lián)盟（ITU），這個機構(gòu)相當于是移動通信技術(shù)的最終協(xié)議發(fā)布者，其總部位于瑞士日內(nèi)瓦。這些國際組織對企業(yè)及學術(shù)機構(gòu)提出的議案作出一個評審，或者說一個性能測試，最終把相關(guān)協(xié)議提供給ITU，ITU再組織相關(guān)專家對5G標準的制定做最后決定并發(fā)布。

圖3展示了ITU定義的5G的三個核心的應用場景：增強型移動寬帶、大規(guī)模機器通信及高可靠低時延通信。第一個增強型移動寬帶，就是說以后寬帶下載速度會大大提升。第二個就是高可靠低時延通信，比如像無人駕駛等應用對數(shù)據(jù)傳輸可靠性有很高的要求。第三個應用場景就是大規(guī)模機器通信，這指的是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)里的傳感器節(jié)點、智慧城市里的路燈等等可能都是相互連接。

下面簡要介紹一下5G的幾個核心技術(shù)：

一是大規(guī)模天線陣列——理論上來說就是在同一個基站可以連接256個天線，從而實現(xiàn)全角度覆蓋。

二是毫米波高頻通信——高頻波段在單位時間內(nèi)可以傳播更多的數(shù)據(jù)量，但它的缺點是信息傳輸距離短，穿透障礙物的能力弱。

三是超密集組網(wǎng)——部署大量小型基站，這個基站往往只負責某一棟樓里面手機用戶的信號。

四是網(wǎng)絡切片——大規(guī)模的共有網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施將被共享，根據(jù)應用需求動態(tài)分配資源。

圖4概括了國際社會普遍認為5G應該在這10個方面落地應用，包括超高清視頻、VR/AR應用、車聯(lián)網(wǎng)、無人機網(wǎng)絡、遠程醫(yī)療、智慧電力、智能工廠、智能安防、AI個人助理、智能城市等。以下就幾個應用領(lǐng)域展開詳細介紹。

以遠程醫(yī)療為例，在很多偏遠地區(qū)可以通過5G技術(shù)，通過高頻高清視頻實時轉(zhuǎn)播遠程端的手術(shù)情況，醫(yī)生可以遠程指導甚至通過模擬器直接進行遠程手術(shù)操作。另外與老百姓生活比較相關(guān)的應用就是超高清視頻直播。現(xiàn)在在許多活動的直播中，都采用了4K高清視頻。在未來的5G時代，8K高清視頻將會給用戶帶來更加清晰、生動的視聽體驗。無人機網(wǎng)絡可以應用到環(huán)境非常惡劣的場景，比如鐵路沿線的電力巡檢，環(huán)境往往非常惡劣，使用人工巡檢高鐵線路很難。這個時候如果用無人機，甚至多個無人機組網(wǎng)來進行協(xié)同組網(wǎng)，可以實時把視頻傳到地面，從而減少很多人工工作。

5G的到來可以用四個“新”來概括：一個是新技術(shù)，包括天線陣列、高頻傳輸人工智能網(wǎng)絡芯片等等;第二個是新性能，即低時延、高可靠和廣覆蓋等;再就是新應用以及新體驗。但于此同時，5G也面臨新的風險，比如隱私、能耗，等等。

除了技術(shù)方面的發(fā)展，5G在真正的部署過程中還需要做很多技術(shù)之外的修訂。比如說用遠程醫(yī)療技術(shù)做手術(shù)，在手術(shù)過程中由于通信瑕疵造成醫(yī)生操作失誤，進而導致手術(shù)失敗，這個責任是醫(yī)生的還是通信網(wǎng)絡的？所以當把5G和不同的應用場景結(jié)合，特別是一些比較敏感的領(lǐng)域結(jié)合時，需要相關(guān)的法律規(guī)則等，做出相應的設計和安排。