5G是未来科技真正落地的关键

　　5G移动通信技术是目前通信技术中的前沿科技，也是现在通信领域研究的重点方向，将带来发展与应用的爆发式增长
　　近一年来，5G成为通信科技界的常用关键词。作为2020年以后顺应移动通信需求而发展起来的新一代移动通信系统，5G已经成为国内外移动通信领域的研究热点。近日，广东移动在国内率先于广州大学城开通5G基站，并进行了5G外场测试。随后，广东联通联合厂商在深圳开通5G基站，也进行了外场测试。而在结束不久的2017世界移动大会上海展上，5G建设成为主题之一，众多企业纷纷发布自己的战略，展示阶段性研发成果。
　　什么是5G
　　从信息通信技术发展与演进的轨迹分析，5G指的是第五代移动通信技术，是面向2020年之后的新一代移动通信系统，是2G、3G、4G数据技术进步的结果。
　　从1G到2G，移动通信技术完成了从模拟到数字的转变，在语音业务基础上，扩展支持低速数据业务。从2G到3G，数据传输能力得到显著提升，峰值速率可达2Mbps以上，支持视频电话等移动多媒体业务。4G的传输能力比3G又提升了一个数量级，峰值速率可达100Mbps-1Gbps。相对于4G技术，5G将以一种全新的网络架构，提供峰值10Gbps以上的带宽，用户体验速率可稳定在1Gbps-2Gbps。5G网络拥有更强的性能，支持超高速率、超低时延、超大连接的应用场景。
　　5G究竟神在哪
　　与4G相比，5G到底有多快？中国信息通信研究院日前发布的《5G经济社会影响白皮书》（以下简称《白皮书》）指出，5G网络将达到至少10倍于4G的峰值速率。不过，高速仅仅是5G天赋的冰山一角。《白皮书》指出，5G还具备毫秒级低时延和热点容量高两个杀手级特性。
　　1. 毫秒级低时延。这意味着不仅数据传输的上行、下行会更快，等待数据传输开始的响应时间也会大幅缩短。比如，当用户在手机上观看4K视频时，卡顿也会明显减少。
　　2. 热点容量高。这将解决当前严重缺乏带宽的难题。如今，3G和4G网络上的无线频率人满为患，而5G容量高的特性让生活在人员密集、流量需求大的区域用户，也能享受到高速网络。
　　3.开启新频带资源。在此之前，毫米波只应用在卫星和雷达系统上，但现在已经有运营商开始使用毫米波在基站之间做测试。5G网络基站是大量小型基站，功耗比现在大型基站低，基站的天线规模也会大增，形成阵列，提升移动网络容量，发送更多信息。
　　4. 频谱利用率高。在目前的科技水平条件下，高频段无线电波利用率较低，穿透能力差，使用上有不少限制，而未来对频谱的利用率提升，与光载无线组网、有线和无线宽带技术的融合，能够给5G通信技术带来广泛的应用前景。
　　5. 连续广域覆盖。这指的是能在偏远山区、地下车库、高速移动状态下，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供高速业务体验。换言之，就是信号覆盖范围更广，网速更快，而且在目前4G网络表现不是特别好的地下车库或者高铁等快速移动的场景能有比较流畅的体验。
　　6. 低功耗大连接。5G能够提供具备超千亿网络连接的支持能力，满足100万/平方千米连接数密度指标要求。这项功能主要面对面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，对于提升城市管理能力、政府公共服务、森林防火，以及更好地打击犯罪维护社会秩序都有很大的积极意义。
　　如此多的特性，决定5G并非等于4G+1G。5G让智能的万物能够互联，实现了大规模机器间的相互通信。英特尔公司预计，到2020年，5G将会连接500亿台智能设备和77亿人。
　　5G技术的发展与应用趋势
　　与此前3G、4G发展时相对封闭、各自为政的情况不同，在5G的建设上，包括传统运营商、系统设备商在内的相关企业越来越强调合作共建产业生态圈，而其背后，看重的正是新一代技术对社会变化的巨大推动力，对产业转型升级的促进。
　　1.媒体类业务应用。在5G环境下，视频类业务在移动性、用户体验、性能提升等方面将有新的发展。
　　（1）大视频业务。4K超清业务需要50Mbit/s的稳定带宽，平均40Mbit/s的4G网络已无法满足。5G技术的应用将带来移动视频点播、直播、视频通话、视频会议和视频监控领域的飞速发展和用户体验质的飞跃。
　　（2）虚拟现实（VR）业务。虚拟现实技术为用户提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同身临其境一般。近年来，虚拟现实技术已成功应用于游戏、影视、直播、教育、工业仿真、医疗等领域。
　　主流虚拟现实设备分为连PC式头盔和插手机式头盔两类，连PC式头盔是目前的主流方向，主机完成运算和图像渲染，通过HDM1线缆进行数据传输。主要面向具有深度游戏体验需求的中高端用户。5G较高的数据传输速率，低时延和较大的通信容量，将使用户摆脱线缆的约束，尽情地享受虚拟现实游戏带来的快乐。
　　插手机式头盔定位为入门级虚拟现实产品，该种类型设备均价普遍较低，比较适合具有观影与轻度游戏需求的用户，是未来几年市场普及的主流设备。智能手机感知用户头部位姿信息，负责高质量视频渲染，功耗大，很难长时间使用，同时受制于智能手机的计算能力较弱，视频质量不高，有很强的顆粒感且有一定的时延，体验不佳。5G环境下，该类型的应用采用云端配合的架构，头盔仅负责获取用户头部位姿信息和显示视频，计算能力要求较高的视频渲染放在云端进行，通过无线网络将渲染好的视频帧传输给头盔进行显示，用户可获得长时间的高质量视频观影体验。
　　（3）增强现实（AR）业务。增强现实技术是在虚拟现实基础上发展起来的一项技术，借助计算机图形技术和可视化技术将虚拟对象准确叠加在物理世界中，呈现给用户感知效果更丰富的新环境。通信技术的发展，移动智能终端处理能力的变强，移动传感器设备的性能提升为在智能终端上增强现实业务的普及提供了基础，为分层次打造个性化的信息服务提供了必要的支撑条件，也极大地促进移动互联网在教育、游戏、购物、社交网络、商业统计、旅游等业务的创新。
　　较好的用户体验对实时性提出了很高的要求，5G环境下，可以很好地解决查询图像以及虚拟信息传输带来的网络传输时间延长的问题，可以将跟踪模块和渲染模块转移到服务端或云端，无线网络将渲染好的图像传递给智能终端，不会让用户产生眩晕感，同时也解决了增强现实应用导致手机耗电高的问题。
　　2. 物联网业务应用。5G技术是物联网的标配，能够提供低成本、低能耗、低时延、高可靠性的通信，以支持物联网长时间、大规模的连接应用。5G将与工业设施、医疗器械、医疗仪器、交通工具等進行深度融合，全面实行万物互联，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的信息化服务需要。
　　（1）智能汽车、交通运输和基础设施。交通行业主要有3个挑战：一是出行效率，二是驾驶安全和联网安全，三是可持续的能源消耗模式。有效应对方案是万物互联+网络协作+信息融合+智能分析决策。在网络本身连接之上，通过多源、异构信息的融合创造出更多的价值，服务于高效、安全的交通出行。
　　车联网技术属于低时延、高可靠应用场景，通过终端直通技术，可以实现在汽车之间、汽车与路侧设备间的通信，从而实现汽车主动安全控制与自动驾驶。车联网（vehicle to X，V2X）自主安全驾驶，在近乎完美的传输可靠性下可将时延缩小到毫秒级，还支持多种场景的防碰撞检测与告警、车速导引、车车安全和交叉路口协同等。
　　当下4G网络的支持可以做到部分无人驾驶（定速巡航、自动紧急刹车等），而5G在理论上可以支撑完全无人驾驶。因为更低的时延决定了驾驶系统能在更短的时间内对突发情况做出快速反应。例如，车速达到120千米/时，前后车的动作只有15毫秒的时差，要在这15毫秒内做出足够快的响应，以4G约20毫秒的时延将会发生事故，而5G的时延是1毫秒，几乎等于实时反应。
　　通过车与车（vehicle to vehicle，V2V）、车与路边设备（vehicle to infrastructure，V2I）的通信，实现汽车的主动安全，比如紧急刹车的告警、汽车紧急避让、红绿灯紧急信号切换等。在未来，这些会成为汽车自动驾驶业务的关键技术。
　　（2）远程设备的关键控制。未来，在诸如远程矿山挖掘、矿山运输等对安全有着极高要求的环境里或在危险、有害健康的环境里，5G网络技术可以实现安全作业。有了5G技术，远程医疗将不再是梦想，超短的时延使医生能实施2000千米的远程诊疗和顺畅的异地远程手术，偏远地区的病患也能享受到优质医疗资源。
　　（3）人与物联网的交互。骑自行车的人在经过十字路口或视线不太好的地方时，网络会根据骑行人的位置、方向和周边路况进行适配，判断会不会有相撞的风险，通过头盔的振动来提醒要注意车速、安全等。
　　3. CDN架构变化与智能运维。5G将带来一个全连接、深融合、高智能的世界，全连接引发海量的数据处理，传统的内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）架构如何满足低时延的用户体验？如何对5G网络业务进行数字化、智能化管理？
　　（1）从云计算到边缘计算。现在正在流行的云计算（cloud computing），是把大量数据放到云里计算或存储。在5G时代，随着物联网的成长、越来越多高清视频的消耗和越来越丰富业务的出现，对网络的时延带来很高的要求，单纯依靠5G提高网络性能、降低时延，很难满足未来业务的要求，边缘计算（edge computing）将是解决这一问题的重要途径。
　　所谓边缘计算，就是将应用、数据和服务从中心化模式的云计算移向了位于网络末端、离用户更近、更为分散的地方，而不是单独依赖云端的服务器。万物互联的数据、高清的视频数据被越来越多地在靠近网络边缘的地方进行存储、处理、分析和执行。
　　（2）人工智能使得5G网络更加智能。人工智能将成为5G时代的一项基础支撑技术，能给5G网络的自组网、故障修复、网络管理、网络规划、网络优化等带来便利。人工智能、大数据挖掘分析等技术可以使无线网络变得更方便、更智能。如在NFV平台中嵌入AI监控模块，便能够自动监控网络异常，并进行自动恢复，预计准确率超过90%，且效率是传统监控方式的5倍。
　　中国引领5G技术发展的建议
　　纵览全球，国际电信联盟（ITU）已完成5G愿景研究，预计2020年前将完成标准制定。5G将解决多样化应用场景下差异化性能指标带来的挑战。与此同时，伴随5G网络建设，5G新业务、新架构、新技术都会对安全和用户隐私保护提出新的挑战。未来5G安全将呈现多样化场景，并在多种接入方式以及新型网络架构的基础上提供全方位的安全保障。
　　5G将于2020年正式商用，具体到中国，将经历3个阶段：一是技术研发试验，目前已完成；二是技术方案验证，目前已启动，预计到2017年底完成；三是系统验证，预计2017年中到2018年底结束。
　　值得一提的是，2016年11月，国际移动通信标准化组织（3GPP）最终确定了5GeMBB场景的信道编码技术方案，其中，短码的控制信道编码方案采用了华为主推的Polar码。此外，中国移动成功牵头5G网络系统架构的设计。
　　展望未来，要想在5G领域持续领跑的革命尚未成功，中国通信业仍需持续努力。在信息通信业最核心的技术领域，中国企业的原始创新能力还需进一步提高。在5G全球标准的研发推进中，中国需要贡献更多的创新成果，在一些关键技术领域拥有更多的话语权，引领5G移动通信技术发展与应用，促进合作与共赢。