深入浅出话5G
刘良桂
一．5G的来由
移动通信延续着每十年一代技术的发展规律，已历经1G、2G、3G、4G的发展。每一次代际跃迁，每一次技术进步，都极大地促进了产业升级和经济社会发展。通俗一点来讲，1G、2G满足了人们的语音通话需求，3G、4G实现了随时随地连接互联网的梦想，5G将开启万物互联网时代。5G作为一种新型移动通信网络，不仅要解决人与人通信，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清视频等更加身临其境的极致业务体验，更要解决人与物、物与物通信问题，满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用需求。
二．5G涉及的核心技术
从1G到2G，实现了模拟通信到数字通信的过渡，移动通信走进了千家万户；从2G到3G、4G，实现了语音业务到数据业务的转变，传输速率成百倍提升，促进了移动互联网应用的普及和繁荣。当前，移动网络已融入社会生活的方方面面，深刻改变了人们的沟通、交流乃至整个生活方式。日益增长的数据流量以及智能终端的普及，导致4G在容量、速率、频谱等方面已经不能满足人们对网络的需求。基于此，第五代移动通信( 5G) 应运而生。5G 网络需要达到五大性能目标: 传输速率可达10GB/s; 频谱效率提高10倍; 业务时延小于5ms;网络容量提升1000倍; 能量效率提升10倍。5G不再仅仅是速率的提升，而是提供更多的应用和更好的用户体验。5G中涉及的核心技术有：
1.超密集异构网络部署
未来5G 网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。随着各种智能终端的普及，面向2020 年及以后，移动数据流量将呈现爆炸式增长。在未来5G网络中，减小小区半径，增加低功率节点数量，是保证未来5G网络支持1000倍流量增长的核心技术之一。因此，超密集异构网络成为未来5G网络提高数据流量的关键技术。换句话来说，未来5G网络中，低功率基站的部署将比现在更密集，移动智能终端比如手机的数据传输所需的能耗将大幅降低。
2.面向内容的网络
在未来5G 中，面向大规模用户的音频、视频、图像等业务急剧增长，网络流量的爆炸式增长会极大地影响用户访问互联网的服务质量。当今TCP/IP网络架构采用以主机为导向的通信模型，它是为互联网早期的特殊数据传输而设计的，如何有效地分发大流量的业务内容，降低用户获取信息的时延，面向内容的网络为解决该问题提供了新思路，在面向内容的网络中，遍布全网的缓存节点可以存储流经它们的热点内容，从而有效降低内容检索和获取时间，换句话说，追剧可以更流畅了，因为你不必像以前一样从大老远的服务器上获取视频内容了，也许离你不远的缓存节点上就缓存了该视频内容。
3.D2D（Device to device，设备到设备）通信技术
目前，社交网络、本地广告等应用的流行使得人们对近距离数据通信的需求逐渐增加。然而，目前的蜂窝系统存在覆盖、容量和功耗等方面的问题( 特别是在近距离本地通信业务中)，并且缺乏足够的灵活性，难以完全满足不同业务在实时性和可靠性方面的独特需求。D2D通信作为5G关键技术之一，对蜂窝通信起到必不可少的支撑和补充作用，能够实现大幅度的无线数据流量增长、降低功耗、增强实时性和可靠性。D2D 通信是一种短距离通信，能够实现数据在终端间的直接传输。有了该技术的支持，将能更有效的弥补移动蜂窝网络覆盖的不足，使得随时随地通信真正成为可能。
4.大规模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多用户-多输入多输出）技术
大规模MIMO技术通过在基站端架设数百根低功率天线，使得天线数较4G系统中的4（或8）根增加了一个数量级，天线数目远远超过在同一时频资源上同时调度的单天线用户数。大规模天线阵列所带来的分集增益、阵列增益以及干扰抑制增益，使得每个用户与基站之间通信的功率效率和频谱效率得到极大提升，这样就使得相同条件下，我们的手机能更省电。
5.绿色通信技术
智能化的引入，能够在保障用户体验的前提下为异构网络的部署提供节能的解决方案。统计结果表明，信息和通信技术产业占全球能源消耗的10%，而在无线网络中，基站的能源消耗占网络全部能耗的50%以上，因此绿色通信必定是5G 的研究方向，也是重中之重。通俗一点来说，要实现绿色通信，首先需要降低单个基站的能耗；其次，要从网络调度入手，使网络可以根据服务区内用户业务量比如话务量或者视频流量的变化，动态地进行相关资源比如服务器、链路的调度及功率控制。
6.移动云技术
近年来，智能手机、平板电脑等移动设备的软硬件水平得到了极大地提高，支持大量的应用和服务，为用户带来了很大的方便。移动云计算将成为5G 网络创新服务的关键技术之一。移动云计算是一种全新的IT 资源或信息服务的交付与使用模式，它是在移动互联网中引入云计算的产物。移动网络中的移动智能终端以按需、易扩展的方式连接到远端的服务提供商，获得所需资源，主要包含基础设施、平台、计算存储能力和应用资源等。举个例子来说，你手机中的照片如果太多，会导致手机卡顿，如果你又不想用自己的电脑或者移动硬盘来将这些照片拷贝出来，这时你可以将其存在一些云盘（有免费和付费两种）上，这利用的就是移动云技术。
在传统的网络架构中，控制和转发集成在封闭的网络节点中( 如交换机、路由器等) ，这样使得一切数据的转发及控制都需要在本地完成，由此导致传统网络的传输速率、网络容量等内容受到了挑战。因此，在无线网络中引入SDN（Software Defined Network，软件定义网络）思想将打破现有无线网络的封闭僵化现象，彻底改变无线网络的困境。软件定义无线网络保留了SDN 的核心思想，即将控制平面从分布式网络设备中解耦，实现逻辑上的网络集中控制，数据转发规则由集中控制器统一下发。在软件定义无线网络中，控制平面可以获取、更新、预测全网信息，例如:用户属性、动态网络需求以及实时网络状态。因此，控制平面能够很好地优化和调整资源分配、转发策略、流表管理等，简化了网络管理，加快了业务创新的步伐。软件定义无线网络的控制与转发分离的思想，不仅简化了网络设备，还为设备提供了可编程性，使得异构网络之间的互通更加容易。也就是说，软件定义无线网络中的交换机或路由器将彻底完成角色转变，即不像以前一样既要转发数据又要执行路由选择等控制功能，而是将控制功能交由控制平面去执行，交换机或路由器只负责数据转发，这样就极大减少了交换机或路由器的负担，就像将事情交给最擅长的人去做，将大大提高办事效率。
三．我国5G的发展、取得的成绩和展望
综合看来，3G时代有三大平行标准，4G时代有两大技术路线，而到了5G时代，全球将统一技术路径。因为5G涉及的技术太多，各自为战不仅没有意义，而且将导致网络互联互通难度非常大，全球只有联合起来共同制定一个标准才是共赢的。
2016年1月，中国5G技术研发试验正式启动，于2016-2018年进行实施，分为5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证三个阶段。
2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。
2019年10月，5G基站正式获得了工信部入网批准。工信部颁发了国内首个5G无线电通信设备进网许可证，标志着5G基站设备将正式接入公用电信商用网络。
2021年4月19日，在国新办举行的政策例行吹风会上，工业和信息化部宣布，我国已初步建成了全球最大规模的5G移动网络。
2025年我国将让本国5G网络用户数量达到6亿，或约占全球的40％。我国正在成为这一领域的世界领跑者。
最终，5G将渗透到经济社会的各行业各领域，成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施。
注：本文为约稿，全文已发表在中国人民银行《金融博览》2021年第7期。
作者简介：
刘良桂，工学博士，教授，博导
世界顶尖美国常春藤名校康奈尔大学(Cornell University)国家公派访问学者，
世界著名美国休斯敦大学(University of Houston)客座教授，
Email: myfirstnamemylastnameAT126.com, ll623ATcornell.edu
IEEE 通信与信息安全技术委员会委员；IEEE 标准化协调委员会委员；2013年入选钱江人才计划；2017年入选“中欧人才计划”;主持国家自然科学基金面上、青年基金项目等3项、教育部重点项目1项、浙江省自然科学基金面上项目1项以及企业委托项目多项；近年来，以第一作者身份在一区、二区等国际权威SCI检索学术期刊上发表高水平学术论文十余篇，申请国家发明专利三十余项。目前研究方向主要侧重在物联网、云计算、社会计算等。长期担任国家自然科学基金委通讯评审专家，多个省市自然科学基金通讯评审专家，教育部研究生学位论文评审专家。长期担任十多本SCI一区等期刊的审稿专家。
