浅谈5G核心技术的应用和发展难题

王 君，柯明爽，宋泽生，梁薇薇，陈梦圆，何新宇，杨子渝

（1.广州南方学院，广东 广州510970；2.南昌大学，江西 南昌330036；3.重庆邮电大学，重庆400065；4.广州恒通智联科技有限公司，广东 广州510630）

随着移动通信技术的不断发展，大量信息需要与之相匹配的处理速度，以进行信息的快速交换。换而言之，5G解决了4G在数据处理方面所遗留问题[1]。面对海量数据处理，国家和社会对于数据处理速度便有了更高的要求，海量的数据处理需求促进了移动通信技术版本的更迭。5G作为新技术，其具有“传输速率的提高、延迟的减小、可持续发展性、信息容量的增加以及大型连接设备数量上的增多”五大特性[2]。5G技术的优势在于，其与物联网和工业互联网等技术进行高度融合、是智慧型社会基础建设的关键技术等。由于融会贯通各项技术，这可使得重型机械和生活化设备完成自行优化和迭代、完成供应链与生产链的简化和降低运营维护的成本以及加固网络安全性能[3]。

1 5G技术简析

移动通信技术发展，从1G到4G，移动通信的核心旨在人与人之间的通信[4]。因为它不仅仅是应用在个人与个人之间的简单通信，同时还涵盖了物体与物体、个人与物体之间的通讯和信息交换的应用范围。5G是第五代移动通信技术，提高了数据传输的速率，传输速率的峰值在10 Gbit/s，约比4G的速率快100倍[5]。从2013年以来，5G技术成为了各个国家和地区的研究热点，各界的热烈关注也使得通信技术不断发展[6]。超负荷的移动数据量给当今的移动通信网络带来了前所未有的难题，面对高能耗、稀少的频谱资源和有限性的网络容量等诸多困难。那么，新难题必将带来移动通信技术的又一新版本，即5G技术，该技术的研发是为了高效的智能化管理各个网络，提升其容量，简化其操作，增强其舒适度[7]。

2 5G技术的核心技术

2.1 新的无线电频率

新无线电是5G技术被3GPP所创建的新场景，其中有FP1和FR2这两个不同容量的频带。当频率范围小于6 GHz时，使用FR1。其最大带宽达100 MHz，在此范围内，连续性频谱是十分稀少的，而5G系统使用最频繁的在3.5 GHz左右[7-8]。在韩国的移动通信运营商户中，就是运用了该频段，此外，其也分拨了FR2的频谱。当频率范围大于24 GHz时，使用FR2。其最小带宽达50 MHz，最大达400 MHz，其双信道复合使用是由3GPP R15所支持的。在此范围内，300 GHz的频率允许5G技术使用，其随着频率的升高，抗其余信号干扰能力愈来愈强，因而5G技术每米可支持的移动通信设备多于4G技术近千台。5G可以使用比4G更高的频率，但因为这样，5G信号则不能远距离传输。于是每隔几百米就应当设置一个5G基站，促使信号传播的有效性。此外，由于高频电磁波的穿透性较差，这些高频5G信号不能轻易穿透固体障碍，如墙壁、树木、汽车等。

2.2 大规模MIMO阵列天线技术（多输入多输出）

大规模MIMO阵列天线技术，是多输入多输出技术之一。该技术运用天线数量的增加，进而扩大扇区的吞吐量和容量密度。其天线是由嵌入式无线电的收发机器组成的，可进行单独调控。在世界上多个5G系统的技术性展演中，有90余个涉及了该项技术。该技术在图像处理领域，使用云服务器的边缘计算，可以减少数据拥堵和延迟等情况发生[10-11]。

2.3 小蜂窝基站和波束成形

小蜂窝基站是适用于在10 m～30 km内的无线电频谱范围，也是一种功耗低的无线通信信号的接入点。其对于5G技术的意义重大，由于5G使用的频率比4G高，因此，5G技术的无线电波只能实现近距离传输。而波束成形技术应用了电波来指引用户群体，其实现方式是天线阵列的排列组合，以完成某给定方位的信号得以正向输出。此外，其他方位的信号将被破坏，因而实现高质量的无线通讯信号和传输速率。4G中的长期演进技术（LTE），结合了无线局域网技术（Wi-Fi）。长期演进技术带来了科技便利，其应用范围从蜂窝到局域网的聚合，再从单一化的硅设备到多种无线电信号传输技术共同发展。在此发展过程中，4G也从5G过渡，多种网络技术的聚合与发展为广大人民群众带来了低成本、低功耗与高简化。

2.4 NOMA（非正交多址接入技术）

NOMA（非正交多址接入技术），被称为是面向未来发展的多址接入技术。其方便了数个用户共同享有同一时间、频率和扩频码资源，其分配方式是功率分配。在该方式下的通信过程中，用户均享有完整带宽、低延迟和高传输速率的资源。在接入方式中，该技术应用了电源域管理，当面向不同的用户时，选择不一的功率级。

3 5G技术的应用

3.1 高数据速率

如今，5G通信技术是高效率的象征。其传输速率远高于4G通信技术，其最高速率达10 Gbit/s，是4G技术的100多倍。其高效率象征着移动端的用户在使用5G时，可实现在1 s内完成一部原画质影片的下载。

3.2 减少延迟

信息从发送到接受所需的响应时长，称为延迟。5G最快可达1 ms，而4G的延迟约为30～70 ms。因此，5G的优点在于延迟低。延迟低可实时为大型多人网络互动类游戏、高精尖的外科手术、大型自动化机器等，提供比4G相比更快速、有效的处理。

3.3 可持续发展性

踏入工业化的地球，随之而来的问题是化石能源的穷尽。因此，5G的可持续发展性成为研究的重要课题。5G不仅满足快速处理用户暴增的数据量，还做到了可持续化的绿色环保发展。当中，通过加入新技术，来宏观调控峰值，从根源上减少能源浪费，从而降低成本。

3.4 提高系统容量和大规模设备连接

5G通信网络为网络容量作了巨大提升。预估至2022年，其网络容量将是2020年的1 000倍。同时，随着大型连接设备数量的增加，该技术可为更多移动端设备同时提供在线服务。在未来，5G的移动端将不止手机，其范围可涵盖各行各业的方方面面，形如道路中的电力驱动型车辆和无人驾驶汽车、生活中的智能家居的彩电、航天航空的空间站，以及其他各项公共服务中的多样化的智能设施等。

4 5G技术发展面临的难题

4.1 前期5G无线基站支出巨大

5G基站相比4G基站，其单价高、频率高、带宽大。因而5G技术对于传输网络的要求也更高。这导致5G基站的数量是4G的1.5～2倍，这是由于其设置距离更近。因此，在工程难度和选址难度上，新增5G基站的难度比4G大得多。据中国产业信息数据网所示，目前，中国4G基站数量已超380万个，投资额已达5 700亿人民币，工程限期约5年。而5G技术的全方位覆盖需建立600万余5G基站，投资额超2.3万亿人民币，这是4G基站建设成本的4倍。

4.2 高频信号衰减快

5G技术用的是高频信号，其衰减较快。在城市群中，高密度的建筑对高频信号的传输不仅有信号干扰，也有可能招致更差的传输效果。在通信速度不达预期，抑或大范围的网络质量变差时，5G的信号传输效果和4G相同或更差的情况时有发生，特别是边界地区的信号传输效果极其差。

4.3 供应链全球化依赖严重

5G的供给链依赖于技术的全球化。从5G的开发到普及，其中牵涉芯片、智能手机研发和基站建设等。其中，芯片的依赖性比较严重，芯片主要包括研究、研发、制作等步骤。在高精尖设备上的芯片制作工艺上，需要不断开发核心技术，尤其是一些精度要求极其高的器件，而不得不以技术全球化来实现加工。

5 结语

5G通信系统是庞杂的，它所建立的网络，不但需要加快网络传输速率，还有大带宽、低噪声、高效率、高可靠性等要求。在5G通信系统的应用中，将全面推进物联网技术和移动互联网技术的发展，另外，5G技术对于二者相结合也有促进作用，为用户的出行和生活方式带来新方式和新感受。5G技术是社会进步的基石和世界贸易体系的粘合剂，必将会比4G发展更加蓬勃。