【摘要】随着当今社会移动互联网的快速发展，人们对网络质量和速度的要求越来越高。5G是第五代网络通信技术的缩写。本文简要介绍了5G技术的发展背景、5G技术的主要技术以及5G的未来应用场景，最后对5G技术的未来做出展望。
【关键词】5G;关键技术;应用场景;未来发展
引言
随着通信技术和计算机技术的快速发展，各种新应用（如虚拟现实，增强现实，人工智能，3D媒体，超高清视频等）不断涌现。无线网络需要携带的数据量急剧增加。但是，现有的移动通信系统（4G）很难满足这种需求，从而开发出新一代的移动通信技术--5G。根据国际电信联盟（ITU）的IMT-2020愿景，5G将包括增强型移动宽带，大规模机器类型通信和三种类型的用例，用于超可靠和低延迟通信。5G最显着的特点之一是前所未有的流量，每单位面积的巨大频谱效率（数百b/s/Hz/km2）、超高的单设备吞吐量（Gb/s量级）。峰值传输速率甚至可以达到10Gbit/s，而端到端延迟则降低到ms级别。交通密度增加了1000倍，连接设备的密度增加了10到100倍，而频谱效率提高了5到10倍。5G技术预计可提供比4G技术快100倍的速度。使用这项技术，下载高清（HD）电影只需十秒钟，并以500公里/小时的速度最大化最佳用户体验。使得人们的生活质量得到提高。
一、发展背景
每一代无线通信技术致力于为移动设备实现更快的移动网络速度和收集能力。还记得曾经大哥大，这就是1G时代，即模拟信号时代，那时还没有统一的标准；到上世纪90年代前后，2G网络出现，实现了短信传输，全球进入数字时代，也出现了相应的标准，美国有CDMA，欧洲有GSM，而日本有PHS，这时的中国并没有什么话语权；21世纪的到来，3G时代也将到来，3G是智能手机的时代，它使得在线访问成为可能。这时美国推出了CDMA2000，欧洲有WCDMA，日本的PHS则退出了历史舞台，而中国则诞生了TDSCDMA，虽然弱小却坚强的生存着；而到了4G时代，就只剩下了中国主导的TDDLTE和欧洲主导的FDDLTE，中国在通讯行业的话语权越来越强，4G大大提高了网络速度，比3G快了近8倍，这正是我们现在所使用的。但是，随着用户和网络设备数量的快速增加，越来越多的4G用户同时使用大量的数据网络，网络变得越来越拥挤，无法满足人们对网络的需求。为了解决这个问题，5G应运而生，5G是最新一代无线通信技术，可以以GB速度运行。它可以处理千兆位流量数据，比4G快10倍。下载全高清电影可以在几秒钟内完成，甚至更快，5G将成为未来一切的基础。让VR，自动驾驶，物联网，智能家居，云服务等，甚至是我们现在都想不到的场景都可以实现。我国早在2013年就开始了对5G技术的研究，并将这项工作纳入了我国的863计划。华为还在2013年11月宣布，到2018年将投资6亿美元用于5G技术的研发和创新，并预测到2020年5G移动网络的商业化。根据计划，中国的5G技术研发测试分为三个阶段：关键技术试验、技术方案验证和系统验证。2017年11月，工业和信息化部正式宣布已进入5G技术研发的第三阶段，并力争在2018年底完成。2017年12月，国家发展和改革委员会了“关于组织下一代信息基础设施建设项目实施的通知”。2018年至少需要在5个城市进行5G规模的联网试点。每个城市的5G基站数目不少于50个，整个网络中的5G终端数量不少于500个。5G移动通信技术已进入工业冲刺阶段。
二、5G通信主要技术介绍
2.1毫米波
大多数移动电话和其他电子设备目前工作在3KHz至6GHz频段，但随着越来越多的设备加入此频段，而且这些设备也消耗了更多的数据，这个频段已经过度拥挤，不仅降低了网络速度，而且还常有掉线的情况。因此，我们需要开发新的频谱资源，因此无线通信技术专家将目光投向了6GHz以上的频段。也就是说，这里提到的毫米波在毫米波所在的较高频带中具有较大的带宽，但是非常容易受到路径损耗的影响。为了解决这个问题，解决方案之一是使用前面提到的微基站。它是使用数千个低功率小型基站来制造第一个信号来取代目前的大型基站。当您被障碍物阻挡时，手机将自动切换到另一个小型基站以确保稳定的链接。但是，如果运营商要在城市中部署如此大量的小型基站，成本将非常高，因此专家们提出了毫米波的动员。这意味着毫米波需要能够在我们行走时或在车内为我们服务，并且我们需要处理由握住手机姿势引起的信号遮挡问题。
2.2大规模MIMO
大规模MIMO技术，或称为MassiveMIMO技术，不仅是5G通信的关键，还将降低一半的基站发射功率，进而达到节能环保的作用，事实上中国移动是最早推动massiveMIMO技术的运营商，之后中国移动联合华为、中兴等企业完成MassiveMIMO技术的开发和性能验证。5G在高频情况下，频率高、覆盖面积小，所以蜂窝半径就更小，所以需要更多基站，所以造价是个大问题，以及通讯的散热，而MassiveMIMO技术就有可能大幅度降低成本，解决散热问题。在运营商的运营成本里，其中有40%是基站耗电，那么如果这个技术能够得到应用，可以把耗电量减少50%，甚至是40%，那么在全国范围内能源的节省是相当突出的。MIMO也是一种多输入多输出技术。然而，在5G超大规模MIMO条件下，基站使用最多256个天线，因此整个空时的优越性被用于限制。但是，如果大量天线同时发送信号，则会发生相互干扰，并引入另一种技术--波束成形。
2.3波束成形
波束成形就像一个信号灯，在多个设备之间引导命令信号。设备将发送信号上传。执行定向返回信号，确保所有信号都传回手机，减少信号丢失，从而提高网络速度。这就是波束成形技术。而波束成形技术通常会将信号汇聚起来，且通常波束越窄，信号越强，但是副作用就是，如果这束信号波束不能准确的找到用户，那么用户不仅不能得到更高质量的信号，而且也没有更好的上网体验。因此，为了使用户享受5G速度的同时，还得有良好的上网体验，在5G基站的部署时，就需要更多的窄波束；同时，为了更快地恢复网络，有必要引入下一项技术--全双工技术。
2.4全双工
如果您使用过对讲机，您会知道当您与另一方通话时，另一方不能同时说话。您无法同时通话，因为信号传输在一个通道上，这意味着无法同时传输上传和下载。这大大减少了网络的传输，特别是当您有大量数据要传输时，这次全双工技术允许同时上传和下载大量数据。没有必要互相让路，这大大提高了网络传输的效率。全双工通信的最大优点是它几乎是半双工通信的两倍。如果可以解决复杂信号处理引起的硬件和软件复杂性问题，也可以降低全双工通信的误码率。此外，如果全双工设备具有足够大的高速缓存容量，则系统的分组丢失率也可以降低。然而，由于设备接收的功率和发送信号的差异，全双工通信受到严重的自干扰。如果这种干扰在一定程度上严重，则全双工通信的容量甚至不如半双工通信那么好。实验表明，全双工解决方案的性能并不比半双工解决方案完全好，因此如果您可以在全双工和半双工之间切换，使用无线资源来最大化频谱效率的混合方法可能更有效。
三、应用场景
3.1万物互联
随着4G网络的发展，出现了智能家居行业，但属于起步时期，4G技术与“万物互联”之间存在差距。从物联网的角度，我们也迫切需要5G。如果说每人一个手机，那么全球大概70多亿个手机，我们就已经饱和了，但我们连接到物的话，就可能有每人10个，每人100个，甚至每人1000个连接，4G网络便很难承受这样的数量。若实现5G技术，就能够利用它超大的流量、极短的延时、较低的功耗等达到“万物互联”的需求。在未来的发展中，5G技术还能够推动物联网的迅速发展，并逐渐应用到交通行业和自动化领域中，真正实现“万物互联”。
3.2医疗
哈斯商学院最近的一份报告还指出：“医疗领域最具影响力的5G影响力是'医疗个性化'。物联网设备可以通过不断收集患者特定数据并为患者推荐适当的治疗方案来快速处理，分析和返回信息，从而使患者拥有更多的自我管理能力。”5G无线网络的发展将通过提供更快的连接和更高的带宽来改善远程医疗和远程护理。想象一下，患者在舒适的家中佩戴远程医疗传感器，其生命体征正在实时传递给他的健康经理。这些数据允许医生和护理人员动态管理患者的治疗计划。此外，医务人员还可以通过网络摄像头进行咨询或干预。比如做远程B超时，大夫和病人通过两个摄像头、屏幕实现对话，当大夫在远程操作来给病人做B超，5G可以精确到大夫在操纵探头的时候，探头接触到人的身体的压力，在远程都可以感觉出来，与在现场几乎没有区别。
3.3无人驾驶
自动驾驶汽车是广泛使用的用例之一，特别是用于商用车辆和非公路车辆（农业，采矿，建筑等）。近年来，无人驾驶自动驾驶行业也是各种技术的乐观方向。5G提供的快速网络可以辅助自动驾驶汽车，使汽车在通过道路交叉口时与控制中心进行通信。也能跟来往的车辆展开“对话”。早些时候，一些专家指出，在没有红绿灯的街道上--虽然汽车必须越过交叉路口，但它们不会相互撞击。所有车载传感器和摄像头都记录了汽车的行驶过程，以便在发生交通事故时，人们可以从事故中重播现场。当然，这些需要基于强大的5G网络。
3.4VR
在过去两年中，许多技术巨头已经看到了未来虚拟现实产业的发展势头并已进入该行业。如今，无论是虚拟现实技术，增强现实技术还是混合现实技术，都有相应的消费产品，这些概念已经被公众迅速理解。但是，目前的4G网络难以支持完美的虚拟现实体验。5G的到来就可以支持虚拟现实等极致业务的体验，尤其是可以解决目前VR技术出现的卡顿、眩晕等问题。因为5G传输数据量大、时间又低，因此它在某个小区域里面，可以同时支持的用户更多、而且速率更快，所以说用户体验会非常好。因而5G的到来将会推动VR技术进入大规模使用阶段，让VR更“触手可及”。而5G不仅使实时流更流畅，而且更快的网络速度和更低的延迟可支持360度全景视频直播。360度全景视频是通过多个摄像头360度拍摄的实时视频。您可能希望在未来5G网络普及之后，您必须在家中成为现场观众。
四、前景展望
如今，为了给用户提供更好的服务，运营商越来越重视5G移动通信技术，投入更多的人力、物力和财力来研究。5G的出现和推广使通信能够冲出以前的固定模式，让用户获得从未有过的体验;人与人之间，人与物之间的距离进一步缩小，开启了人与万物共性时代的帷幕。与之前的4G和3G一样，5G是通信技术的巨大创新，它进一步提高了人们的生活质量和水平。它随时随地实现高质量，高速的网络通信服务。随着移动通信技术的发展，万物互联，生命之云，智能互动的实现必将成为5G的发展方向。
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作者:杨锡昊 单位:云南省丽江市第一高级中学