人类史上最复杂的通信系统：5G，到底是什么？

文 / 王云辉

5G，或许将比所有人的预想，都来得更早一些。

1

5G到底是什么？

在很多人看来，就像1G、2G、3G、4G一样，5G这个"下一代移动通信技术"，无非是让大家的手机速度快一些。

但事实远非如此。

自1980年代以来，从模拟语音到数字语音，从移动宽带到移动互联网，移动通信一直以大约每10年一轮的速度，不断改变整个世界。

而预计将自2020年开始商用的5G，它的颠覆将比过去任何一代的通信系统，都还要大得多。

这是因为，5G是一个统一连接架构、统一设计的，面向未来创新的连接平台，它将通过全新技术，融合了不同的频谱类型和频段、多样化服务及部署。

简单来理解，就是连接一切。

如果说，在过去30年里，移动通信对世界的改变，是通过电话和手机，连接人与人，那在未来的30年，移动通信就将连接万物。

而这，也同样正是5G的发展方向。

2

在不同的场景下，网络的连接有不同的性能需求。

因此，除了手机之外，业界为5G划分出了三个主要的服务领域：增强型移动宽带、关键业务型服务和海量物联网。

（1）增强移动宽带，比如下面这些：

过去，这些业务大多只能通过固定宽带网络才能实现，未来5G将让它们移动起来。它们的特点是，需要尽可能大的带宽，实现极致的流量吞吐，并尽可能降低时延。

目前，即使是最先进的LTE调制解调器，最快速率也只能达到千兆比特/秒，但往往一个小区的用户，就已经有千兆级的带宽消耗，而且，更多大流量的业务，未来还将不断发展，所以，提升带宽容量，是未来移动网络发展的必然趋势。

以超高清视频为例，即使经过压缩之后，每一路8K视频的带宽速率，都将超过100M/秒，如果一个小区有5到10个，甚至是100个用户，现有的4G网络只能崩溃堵塞。

（2）关键业务型服务，比如下面这些：

这些业务对差错的容忍度非常小，需要通信网络非常稳定；同时，它们对网络时延也有更高的要求。

根据第三方网络测试机构Open Signal的数据，目前，不同网络的端到端时延，基本上都在100毫秒的量级。

过去，这个时延并不太影响我们的体验。因为当网络更多是服务于人，而人对时延的反应并不强。但未来，当5G网络连接万物，就需要更低的时延。

一个典型的例子是自动驾驶汽车，过去的自动驾驶，更多是通过汽车自身的传感器，感知周围信息并做出判断，但这些传感器却都有自身的极限和限制。不久前，美国一辆特斯拉汽车与拖车相撞的事故，正是这样的一个惨痛案例。

目前，高通等厂商在推动的未来无人驾驶技术，既有汽车自身的信息采集，也有汽车与汽车，乃至汽车与云端网络的实时通信交流，从而对汽车的无人驾驶进行计算、判断和实时调整，从而更加安全。

但在交通事故中，1秒钟就可能决定生死。以现有的网络，无法确保信息的及时传输。只有当时延进一步降低，甚至降到1毫秒以下，这种无人驾驶技术才能真正成熟，而5G网络则有望带来这样的低时延。

（3）海量物联网，比如下面这些：

与以手机为节点的移动互联网不同，物联网对网络的需求有巨大差异。

过去，移动网络对同时连网的终端数量，都有较大的限制。而在物联网环境下，同时会有更多的传感器和智能设备连网，但这些设备的功能大多非常单一，连网的频率和流量需求，也远远小于手机上网。

一个典型的例子是，工业物联网和智慧城市领域中，有大量的公共设施计量需求，比如水表、电表和公共环境信息监测等，都通过各种传感器采集环境信息数据。

因为测量的特殊性，这些传感器往往成本很低，可能一周甚至一个月才连1次网，部署以后多年都不需要替换，甚至需要部署在地下或相对封闭的室内环境中，无线信号很容易衰落，这要求物联网的连接非常节能，而且有非常深度的覆盖。

所以，在海量物联网方面，5G也支持更多的物联网设备，以更低的功耗接入网络，甚至可以实现100万个终端同时连网，而联网终端的电池续航，也可以长达5至10年。

3

综上所述，在性能方面，5G将实现更大的带宽，更低的时延，以及更多的网络连接。

要同时实现这些突破，5G将成为一个超级复杂的通信系统，对连接技术有着极高的要求。

在此之前，LTE已经在兼容Wi-Fi、2/3G技术同时，同时支持了超过50个频段、约200个载波聚合组合，乃至超过2000种调制解调器特性等。

而未来的5G网络，将需要支持更多样的场景，更广泛的应用，更多的频段和更先进的技术。比如，5G将同时使用更多的频段，以全面满足增强型移动宽带、关键业务型服务和海量物联网的需求。

其中，1GHz以下的频率，拥有更远覆盖距离，面向海量物联网；1GHz至6GHz的频率，支持更大的带宽，面向增强型移动宽带和关键业务型服务；6GHz以上的频率如毫米波，可以实现极致带宽，面向更短程的极致移动宽带。

这带来的频率资源提升有多少？看下面这张图这知道了：

这么多不同的技术、不同的部署方式，不同的技术模式，最终都要在同一张网络中、在统一的设计架构中全部实现。

这就是5G。

4

值得注意的是，5G与现有通信技术并非简单的替代关系。

严格意义上来讲，它是LTE演进技术与5G新空口（NR）标准的融合体。

从技术演进上，业界公认的是LTE会跟5G齐头并进，即它会按照自有的模式继续向前发展。在这点上，Qualcomm高级研发总监及中国研发中心负责人侯纪磊博士就曾表示，在5G初期组网及将来整个网络向5G平滑过渡的阶段，即5G初期产品形态上，5G和4G应该是一种双连接的模式。该模式的好处在于，在5G初期由于很多4G系统的覆盖已经很完备，因此4G可以做为基础层，而5G则作为系统的增强层，可以保证用户的体验有更好的提升。但当将来5G覆盖做得足够好的时候，5G就会作为独立组网得到更好的发展。

事实上，中兴通讯此前提出的Pre 5G概念，正是将大规模MIMO等5G阶段的关键性技术，在LTE中提前商用，这样，运营商就能提前实现更好的用户体验，并在2018年5G新空口敲定后，更快地实现网络平滑升级。

业界普遍认为，骁龙X16“像光纤一样”的速度，不仅模糊了有线和无线宽带的界限，更代表了迈向5G的重要一步。

5

当前，5G无论空口，关键技术，还是商业进程，都已经不断提速。

比如毫米波技术。

毫米波不但能带来足以支持数千兆比特每秒（Gbps）数据传输速率的带宽，还可提供利用极密的空间复用度以增加容量的机会，但因为传输损耗较高，只要受到建筑、人、植物，甚至是雨滴阻挡，就可能影响数据传输，所以应用一直受到限制。

而现在，高通实现了支持32天线阵的60GHz毫米波芯片组商用，在今年的MWC上展示了28GHz毫米波技术的移动化演示。这意味着，即使设备移动，在某一个方向被租挡，甚至射频信道条件发生变化，毫米波通信依然能够确保畅通。

而5G空口也有进展。

比如，就在今年7月的上海通信展上，中移动和高通演示了在6GHz以下频段运行的5G NR原型机，可以实现数千兆比特的速度，重新定义了帧架构，将上下行信号放在了同一个帧中，实现非常低的毫秒级延时。

而在实验网与商用部署上，运营商的路线图也已经逐渐明晰。

以中国运营商为例，中国移动的大规模天线3D-MIMO计划也已经展开小规模试验，有望于今年年底具备商用能力。在2016年底到2017年底，中国移动将与厂商共同展开各种5G系统概念验证，主要目的是对5G产品架构进行验证，对产业瓶颈进行突破。

而中国联通则已明确面向5G的4G演进方向的关键技术，并制定5G发展行程表。在今年年底，中国联通计划完成5G端到端网络架构关键技术布局，并建设5G Open Lab来满足5G业务演示和单点技术性能验证。到明年，要基于5G Open Lab完成5G实验室环境建设，完成5G无线、网络、传输及安全各关键技术研究。2018年，中国联通计划在实验室完成5G关键技术验证，并完成联通5G建设方案。2019年，计划能够完成5G外场组网验证。2020年，完成联通5G网络商用目标。

中国电信也根据自身的转型战略，制定了高低频段协同的5G发展策略，以中低频为基础，高频为补充，同步开展研究验证，合力促进5G落地应用，并依据低频和高频两个频段，分别提出从2016-2018，2018-2020，能让2020-2025的三个阶段发展计划。

多家市场机构预测，根据工信部部署，以及目前三大运营商积极布局5G的状况看，三大运营商有可能在2018年就展开5G网络建设。

作者微信公众号：科技杂谈（keji_zatan）