5G相关技术研究及新进展

◆叶连金 黄河 吕建辉 江勇 高萍

5G相关技术研究及新进展

◆叶连金1黄河1吕建辉1江勇1高萍2

（1.清华大学深圳国际研究生院 广东 518057；2.深圳市坪山区科技创新服务中心 广东 518000）

本文介绍了5G中所采用的部分相关技术，涉及中兴、华为、烽火等重要厂商，分析了现有5G技术的优势与存在的问题。此外，文中也介绍了WiFi-6、星链、6G等，由此归纳新兴通信技术所面对的机遇与挑战。

5G；技术；研究；进展

1 引言

5G技术，即第五代移动通信技术，应用于三大场景，包括增强移动宽带、超高可靠低时延通信和海量机器类通信。其性能目标是实现高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。5G技术的发展对生产生活的各领域带来极大的方便，而各领域的需求同样对5G建设提出了更具体的要求。由此，近些年5G相关技术不断更新发展。其中，电信运营商成了5G的主要推动者和建设者，以应对5G商用带来的传统应用革新。系统集成商则成了通信网络设备的集成主体，以应对全球电信投资的下滑的困境。

2 相关技术进展

我国各厂商在5G的技术研发上发挥了重要作用。中兴通讯从2009年开始相关5G技术的研究，深度参与5G标准化进程，提出了新波形技术 FB-OFDM[1]，统一帧结构 UFS 和面向大连接的关键技术MUSA。2017年4月份在3GPP 中兴通讯主导5GNR重量级核心项目NOMA立项成功。同年11月，中国移动联合高通和中兴通讯成功实现了全球首个基于3GPPR15标准的端到端5G新空口[2]系统互通。依托电信运营商，基于系统集成商的技术支持，有效地推动了5G技术的更新与应用。

作为全球第一大通信设备商，华为在5G发挥了重要作用。2018年年初，华为推出了首个基于3GPP毫米波的5GCPE芯片-Balong5G01，并率先推出了业内首个毫米波5GCPE。2018年6月，华为在北京怀柔率先完成了由IMT-2020（5G）推进组组织的中国5G技术研发试验无线技术第二阶段测试。同年10月，华为实现了基于3GPP的5G毫米波首次商用，也标志着基于3GPP的5G毫米波网络与相关产业链已经成熟，全球5G毫米波的应用开始正式启航。

此外，烽火使用自主知识产权的单模七芯光纤[3]作为传输介质，在国内首次实现560Tb/s超大容量波分复用及空分复用光传输系统实验，达到了国际先进水平。其传输容量是日常用标准单模光纤传输系统最大容量的五倍，可以实现一根光纤上67.5亿对人（135亿人）同时通话。这一成果的诞生标志着我国在“超大容量、超长距离、超高速率”光通信系统研究领域迈向了新的台阶。

3 存在的问题

随着5G的商用，其中存在的问题成了有待更新的技术要求。

（1）系统与技术融合有待加强。5G移动通信网络集中了多种核心技术以完成各类业务，由此需要通过多种业务网络、多种接入技术和多层次覆盖的系统构建，来实现有机融合、综合集成、高效利用。这就对系统和技术融合提出了更高的要求。例如，同一芯片无法同时满足云端或者终端对通信的不同需求。

（2）容量和频谱的效率有待提高。为实现传播速度快，信息流量大、运作效率高，频谱容量和系统频率有了更高的要求，这就需要依靠先进技术手段对网络系统进行优化升级以及加固站点数。然而，先进技术的应用以及系统复杂性的提高意味着开发成本更高和系统维护与操作难度更大。所以需要更深入研究如何提高空间效率、容量以及扩展频率。

（3）移动终端有待升级。在5G网络环境下，移动终端不仅面临着升级射频工艺、电池性能等方面的难题，也面临着移动终端开发成本提高、市场竞争加剧的难题。

（4）能耗控制遭遇困境。由于5G使用了Massive MIMO技术，基站和手机的能耗增长，由此5G基站的部署带来了能耗问题。另外，由于5G毫米波的辐射范围较小，信号覆盖所需基站数大幅增加，基站部署成本也随之增加。因此，提高传输效率和降低通信能耗也是5G发展建设的难点之一。

4 相关前沿技术

传输需求推动着5G的研发，也同样对其他网络传输技术提出了革命性的要求。

（1）Wi-Fi 6

Wi-Fi 6即第六代无线网络技术[4]，主要使用了OFDMA、MU-MIMO等技术，最高速率可达9.6Gbps。Wi-Fi 6中的一项新技术允许设备规划与路由器的通信，减少了保持天线通电以传输和搜索信号所需的时间，这就意味着减少电池消耗并改善电池续航表现。Wi-Fi 6与5G具有一些相似之处，例如借助MU-MIMO技术实现高传输速率、支持更高的容量、需要额外的硬件支持等。但两者的应用场景不同——Wi-Fi 6主要适用于家庭/公司等室内环境，而5G则是主要在户外的移动网络。二者的频谱也有所不同，5G作为移动网络依赖于获得许可的频谱，各运营商都有所不同，可在低、中、高三个不同的频谱上运行。而Wi-Fi 6使用的是未授权频谱，一般为双频2.4GHz与5GHz。另外，5G基站的覆盖范围远大于单个Wi-Fi路由器锁覆盖的范围。

（2）星链技术

星链是SpaceX的一个项目，该项目计划在2019年到2024年间在太空搭建由约1.2万颗卫星组成的星链网络提供互联网服务[5]，其中1584颗将部署在地球上空550千米处的近地轨道。该公司还准备再增加3万颗，使卫星总量达到约4.2万颗。星链与5G相比是两种完全不同的网络提供方式。不能在我们的手机或笔记本电脑上直接接收，它需要一个包含一组相控阵天线的大型接收机。相比之下，5G网络更加便捷，只要部署好基站，移动设备在基站辐射范围内便可以接收到信号。就目前情况而言，在手机中安装相控阵天线难度较大。但一些大型工具上（如航母、飞机等）更易于安装相控阵天线，如果他们使用星链的网络，将会降低用网成本和提升速度。5G所针对的是密集型地区，而星链可以更好解决偏远地区、山区、海岛等缺少无线基站、电缆建设成本较高的地区。

（3）6G

6G，即第六代移动通信技术，主要为促进物联网的发展，其仍在开发阶段[6]。6G的传输能力预估可能比5G提升100倍，网络延迟也可能从毫秒降到微秒级。除了进一步提升5G时代的应用（无人车、无人机、智能城市），6G可能还会孕育一些科幻应用，比如将人脑与计算机连接，触摸控制系统也会大大增强，感应接口让感官变得栩栩如生，难辨真假。从技术角度看，6G会给通信工程师带来很大挑战，比如材料科学、设备科学、低能耗电路、数据简化技术、网络技术、生物技术、通信协议。此外，最大的挑战来源于如何管理开发工作，只有这样，最终的网络才会具有弹性，拥有很强的适应能力，可以为各种应用开发提供支持，最终让异构网络无缝共存。

5 结论

在我国政府的大力支持下，行业资本与技术厂商相辅相成，实现共建充满活力的5G产业环境。其中，我国各厂商在5G的技术研发上发挥了重要作用，并取得突出成效。目前，我国的5G技术处于全球领先地位，产业生态正逐步完善。随着5G的商用，其中存在的问题成了有待更新的技术要求，如系统与技术融合有待加强、容量和频谱的效率有待提高、移动终端有待升级、能耗控制遭遇困境。而这些有待更新的技术要求又引领着5G技术的进一步发展。随着5G的不断更新迭代、进步发展，新的技术浪潮持续翻涌，推陈出新了诸如第六代无线网络、星链、第六代移动通信等相关网络传输技术。技术的发展带来了革新竞争，但是正因为技术竞争，进一步推动了技术发展，最终改变人们的生活。作为通用网络技术，5G将全面构筑经济社会数字化转型的关键基础设施，与垂直行业的融合应用将孕育新兴信息产品和服务，改变人们的生活方式，促进信息消费，并逐步渗透到经济社会各行业各领域，重塑传统产业发展模式，并拓展创新创业空间。

[1]王强. 5G移动通信系统中FB-OFDM多载波技术的研究[D].西安科技大学，2018.

[2]童伟，宋春凤.基于3.5GHz频段的5G新空口系统在海南环岛高铁的应用前景研究[J].数字通信世界，2020（02）：278+84.

[3]张轶涵. 七芯光纤传感特性研究[D].北京邮电大学，2019.

[4]王斯荟.基于广电5G+WiFi6+LoRa融合的企业移动物联专网方案研究[J].通信技术，2020，53（08）：1952-1958.

[5]章罗娜，李心蕊，赵书阁，高利春.“星链”星座建设成本及运营分析[J].国际太空，2020（11）：23-27.

[6]葛建华，李靖.对6G关键技术发展的思考[J/OL].中兴通讯技术：1-9[2021-04-21].

本文得到深圳市南山区政务服务数据管理局项目支持（5G新技术应用研究服务，编号SZNSZS2020190-1）