【摘要】根据国际电信联盟专家的预测，描述了5G时代移动互联网的新形态，从信息论基本原理得出了更大带宽是5G提速的核心手段的结论，以此为起点推演出5G时代将采用的毫米波、微基站、大规模MIMO、波束赋形等技术，并对中国引领全球5G市场的前景进行了分析。
【关键词】5G 毫米波 微基站 大规模MIMO 波束赋形
互联网改变了世界，移动互联网重新塑造了生活，“在家不能没有网络，出门不能忘带手机”已成为很多人的共同感受。人们对移动互联网的要求是更高速、更便捷、更强大、更便宜，这种没有止境的需求促使着移动互联网技术突飞猛进，技术体制的更新换代也随之越来越快。很多用户刚刚踏入4G的门槛，按照国际电信联盟关于2020年的规划，5G时代很快就要来到了[1]。
1 5G时代的展望
4G虽然比3G更快，但现阶段的速率提升不过10倍左右，应用模式也没有根本性的变化，其实并没有给用户带来太深刻的感受。但是，5G的综合性能将会比4G提升千倍[2]，在这种超高速移动网络的支撑下，将会诞生出许多全新的应用，会彻底改变移动互联网的生态，那将是移动通信的一场革命。
5G速率将高达10Gbps，由于速率极快，高清视频即点即播，“缓冲等待”将成为历史。远程互动的3D虚拟现实游戏将兴起，画质精美操控顺畅，会带给用户身临其境的全新感受。人均月流量大约有36TB，用户不必担心资费问题，虽然流量增加了上千倍，但总体资费并不会提高[3]。
5G的入网设备将会大幅度增加，“万物互联”会成为5G的时代特征，镜框、花盆、腰带、冰箱、鱼缸、饭碗、茶杯、沙发……所有能提供服务的设备都会入网，并可按需求进行智能控制[4]。智能楼宇、智能家居、智能汽车、智能交通……智能移动互联网将彻底改变你的生活方式。
健康领域也会发生革命性变化，手环将不再只是测心律血压和跑步计数，而会成为身体健康指标的全面监控仪，实时动态的监测数据将会自动上传汇集，不仅可用于病情诊断，还可以利用大数据技术对身体状态进行分析和预测，提供精准的医学建议。除了能进行信息采集和处理外，手环还可以进行介入式治疗，甚至包括治疗癌症。
5G的最大特点并不是网速的进步，而是移动互联网、智能传感器、大数据技术三者结合产生的爆炸效应，这将是对传统工业和互联网业的一次颠覆性革命。
2 5G的技术路线
5G的核心技术并没有被国际电信机构所确定，尚处在研究和探索阶段，但移动通信的发展有着内在的规律性，其核心是以信息论为基础的无线通信理论，从理论出发并结合需求进行分析，并不难探寻出5G技术的发展方向。
高速是5G的首要特征，根据香农的信道理论，提速最根本的方法就是增加带宽，特别是成百上千倍的提速必须依赖更大的带宽。提高频率利用率虽然也是个办法，但其潜力是很有限的，而伴随着带宽提高而带来的等比例提速则是立竿见影的，大幅度增加带宽才是提速的王道。
要大幅度增加带宽则必须使用更高的频段，4G的频率在2GHz左右，5G频率会更高。例如韩国积极推动6GHz以上频段为未来IMT频段，开发高频段系统[5]，俄罗斯专家甚至提出了80GHz频段的设想[6]。
5G的频谱范围正处于讨论之中，这是世界无电线大会（WRC）的议题，虽然具体的数据还没有确定下来，但频谱更高带宽更大的趋势是明确的。频率高了则波长变短，这就带来了毫米波技术。
2.1 毫米波技术
毫米波常用在雷达和卫星领域，一般不用于移动通信领域，主要原因是随着波长变短，无线电波传播的直线性会增强。例如军队使用的无线电接力通信就是毫米波，它并不支持“动中通”，只能驻车后工作，而且必须精细调整天线的角度，使其电波的辐射方向正对着对方，否则就无法通信，直线传播是毫米波通信必须解决的问题。
手机是移动使用的，不能打电话时还举着手机对准基站的方向，虽然非正对方向也有信号，但强度会明显衰弱，如果不做处理的话，使用体验就会下降。
毫米波的绕射和穿透也是问题，在基站信号不能直达的楼房阴影处和大楼内部，信号就会非常微弱，这些问题都必须解决。
2.2 微基站技术
5G时代的入网设备数量会呈爆炸性的增长，单位面积内的入网设备可能会增至千倍，若延续以往的宏基站覆盖模式，即使基站的带宽再大也无力支撑，再加上前述的穿透和绕射能力下降的原因，导致基站微型化的趋势成为了必然。
基站微型化则设置密度加大，为避免基站之间的频谱互扰，基站的辐射功率谱就会降低，这使得手机的远近效应不再明显，手机开机时的功率控制步骤会简化，而且手机的辐射功率也会降低，在相同能量的情况下待机时间会增加。
微基站数量大幅度增加后，传统的铁塔和楼顶架设方式将会扩展，路灯杆、广告灯箱、楼宇内部的天花板，都将是微基站架设的理想地点[7]。
2.3 大规模MIMO
根据天线理论，天线长度应与波长成正比，大约在1/10~1/4之间，当前手机的天线长线大约在几厘米左右。而5G频率在提升几十倍后，相应的手机天线长度也会降低到以前的几十分之一，会变成毫米级的微型天线。
多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上，手机的面积很小，如果是传统的几厘米长的天线，那多天线阵列是难以设置的。而随着天线长度的降低，特别是5G时代的毫米尺寸天线，给大规模MIMO技术的实现带来了可能。
以往的多天线技术更多地应用在抗干扰通信方面，使用多部天线接收同一信号，利用不同路径干扰的非相关性，在接收端进行合并处理，通过提高信噪比的方法来实现抗干扰通信。而手机多天线所接收信号的路径差异性不大，干扰的非相关性也不强，因此不太会用于抗干扰方面，而是会用在提高传输速率方面。
大规模MIMO其实就是基站与手机之间有很多对的信道并行通信，每一对天线都独立传送一路信息，经汇集后可成倍提高速率。5G更高频率带来天线尺寸缩短和更大带宽带来频率复用，这两点的变化为大规模MIMO的实现提供了技术实现的前提[8]。
2.4 波束赋形技术
中国主导的3G国际标准TD-SCDMA有六大技术特点，其中有一项就是智能天线，在基站上布设天线阵列，通过对射频信号相位的控制，使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄，并指向它所提供服务的手机，而且能根据手机的移动而转变方向。
由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务，这种新形式的无线电波束不会干扰到其它方向的波束，从而可以在相同的空间中提供更多的通信链路，这种充分利用空间的无线电波束技术是一种空间复用技术，这种技术可以极大地提高基站的服务容量[9]。
遗憾的是这项技术并没在3G时代得到应用，但在5G入网设备数量成百上千倍增加的情况下，这种波束赋形技术所能带来的容量增加就显得非常有价值，波束赋形技术很可能成为5G的关键性技术之一[10]。
因为新增了移动用户位置的方向角参数，波束赋形技术不仅能大幅度增加容量，还可大幅度提高基站定位精度，并因此而扩展出非常多的定位增值服务。
2.5 同时同频全双工
手机是典型的双工通信设备，常用的有频分、时分和码分等信道复用方式，而同时同频全双工技术与这些传统的方式都不同，它是通过对信号收发信号的处理，使得双工通信建立在同时同频的基础上，理论上可以提高一倍的信道容量[11]。
前面已经分析过，通过提高带宽的方式可等比例地提高信道容量，是最直接最有效的提速方式，但这是用大量的带宽资源换来的，在技术上并没有创新。而通过对发射信号的抵消处理，可在相同频率同时接收更加微弱的信号，虽然这种方式只能提速一倍，但却是意义重大的原始创新。
同时同频全双工技术若要实用化，对发射信号的衰减要达到120dB，而现在实验室的记录是90dB，这30dB的差距就是1 000倍的衰减量，而且越往后做难度就越大。这项技术虽然理论成立，但距离实用化还尚有距离，估计在5G时代前期应用不上。但不可否认的是，这是一项具有突破性的很有潜力的技术，非常值得研究和期待。
2.6 综合分析
任何更新换代的关键性技术，都必须经历过多年的研究，按规划还有5年就要进入5G时代了，不太可能突然出现一个全新的技术并被吸纳在5G的国际标准中，考察5G的技术发展脉络还得从成熟技术中寻找答案。
在传统的宏基站大覆盖的情况下提速是非常困难的，20%的频谱利用率的提升都是了不起的成就，而在5G时代的千倍提速要求面前，这种内部挖潜的方法是行不通的，只有通过大幅度的加大带宽才有可能。
加大带宽是起点，由此而产生的毫米波、微基站、大规模MIMO等都是顺理成章的技术趋势，只要把基站做得足够小，其服务范围变窄了，单个用户获得的资源就能足够大，速度就可以提高到足够快。
所以5G的任何一项关键技术都不会有革命性的突破，其上千倍综合能力的提升，更多地是来自移动网络的重新布局
3 中国试图引领世界
1997年4月，国际电信联盟向世界各国发出征集函，征集第三代移动通信技术标准。中国为了打破在国际电信标准上没有话语权，只能做世界工厂的困局，递交了TD-SCDMA标准，经过举国的努力，最终被国际电信联盟吸纳为3G技术标准之一，实现了历史性突破，从此走上了力争主导国际标准的道路。
进入4G时代后，分别有LTE FDD和TD-LTE两个国际技术标准，中国政府选定了TD-LTE，并早于LTE FDD一年发放了牌照，目的就是为了发挥相对优势，在引领国际电信业方面占据更大的主动。如果不采取这种策略，而是在欧洲相对更有优势的LTE FDD标准后面跟跑，就会越追越追不上。
中国的电信业实力很强大，在全球四大电信设备商中中国企业就占了2家，华为第一中兴第四，互联网商也在飞速进步，联想、小米等实力不容小觑，同时中国还是全球第一大消费市场。
掌控着全球最庞大的企业集团和最巨大的消费市场，这是中国政府具备的引领世界的硬实力，原来的TDD和FDD的份额之比是8:2，自从中国政府布局支持TD-LTE后，两者的份额差距快速缩小。
2013年初，在政府部门的大力支持下，成立了面向5G移动通信研究与发展的IMT-2020推进组，明确了5G发展远景、业务、频谱与技术需求，研究5G主要技术发展方向及使能技术，形成5G移动通信技术框架，协同产学研用各方力量，积极融入国际5G发展进程，为2015年后全面参与5G移动通信技术标准制定打下坚实的技术基础[8]，中国是全球公认的推进5G最积极的国家之一。
中国在5G事业的提前布局，使之有望在未来的信息社会中更加深入地引领世界，而引领者会得到更多的市场回报，从而惠及到所有的本国公民，这个前景非常值得我们期待。
