科学回家
“科学精神耀光华”科普展览
第五期
近年来，5G成为通信业界和学术界探讨的热点[1]，5G在通讯质量和通讯效率方面表现得更加优秀，并且5G最为突出的优越性就是信号覆盖范围更广，是目前最为前沿的通讯手段[2]。5G和前几代移动通信技术的区别就在于它可以一次性传输更大的数据包，本期“科学精神耀光华”就让我们走进“5G”技术，进一步了解这个名词背后的故事。
移动通信技术发展简史
在5G之前有1G、2G、3G和4G，分别代表第一代到第四代移动通信技术；但事实上，1G也并非移动通信技术的发端，在它之前还有一个“0G”时代。0G技术出现于二十世纪上半叶，在当时主要是作为固定电话的一种增值服务[3]，其产物有最早的车载电话、对讲机等。上世纪七八十年代，蜂窝移动通信技术的诞生标志着人类进入了1G时代。1G时代的蜂窝网络只具备通话的功能，“大哥大”是那个时代的潮流。2G技术出现于上世纪九十年代，功能机逐渐占据了市场。2G技术相比于1G技术的一个飞跃就是短信服务的出现，一些2G系统甚至开始支持电子邮件等数据传输功能。
图1-蜂窝移动通信[4]
3G技术诞生于世纪之交，开创了移动互联网和智能机的时代。它将无线通信与互联网结合，网络质量和速度有了很大提高。2010年，4G技术发布。与以往的移动通信技术相比， 4G除了更高的网速，还意味着更多技术、行业与应用的融合，使得4G应用将不再局限于电信行业内，而可以延伸到金融、医疗、教育、新媒体等行业[5]。
2019年被称作“5G元年”。截至2019年年底，全球总计34个国家和地区的61家运营商推出5G商用服务，正在投资5G技术的运营商多达348家，涉及119个国家或地区[6]。在全球移动通信发展史上，华为、中兴等中国企业在5G时代迎来“领跑时刻”，在标准制定、专利申请、整机设备、终端芯片研发等方面都走到了世界前列，在全球5G建设中扮演了不可或缺的角色。截至2018年3月，中国提交的5G国际标准文稿占全球的32%，主导标准化项目占比达40%，推进速度和质量均位居世界前列；截至2019年4月，华为、中兴等中国企业申请的5G标准必要专利数量占比34%，排名全球第一[7]。
图2-从1G到5G[8]
关键技术
图3-五种关键技术[9]
1. 毫米波传输
毫米波，顾名思义是波长介于1到10毫米的电磁波。比起以往长期用于移动设备的无线电波波段，毫米波的频率更高、波长更短。到目前为止，它只在卫星和雷达系统上有所应用，因而有充足的带宽支持5G网络的超高网速[9]。
图4-过于拥挤的甚长波到分米波波段和几乎未被占用的厘米波、毫米波波段[9]
2. 小型基站
由于毫米波的频率高、波长短，用于发射它的天线尺寸可以比传统天线小得多，从而基站也能实现小型化。由于体积的缩小，运营商可以更容易地部署大量基站以形成密集网络，一方面降低人们丢失信号的可能性，另一方面覆盖大型基站难以触及的末梢。此外，小型基站的运行功率极低[9]。
图5-密集分布的小型基站能避免障碍物对信号强度和质量的影响[9]
3. 大规模MIMO
MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）的意思是多进多出，在发送端和接收端都使用多根天线。当今的4G基站也能做到MIMO，不过其天线一般不超过二十根，远达不到“大规模”的要求；而5G基站可以支持上百根天线，这意味着基站可以一次性收发更多用户的信号，从而使移动网络的容量较4G增加二十倍以上[9]。
图6-大规模MIMO可以一次性收发更多用户的信号，但也会产生严重的干扰[9]
4. 波束成形
波束成形，就是通过控制基站内的大量天线，使其发出的信号在空间中互相抵消或增强，以形成向特定方向发射的波束。由于波束在目标方向得到了增强，其有效传输距离将变得更远，信号质量也能得到提高。波束成形可以帮助大规模MIMO阵列更高效地利用宽带。通过对数据包的传送路径和到达时间进行编排，大规模MIMO阵列上的许多用户可以同时交换更多信息[9]。
图7-波束成形把数据分批次精确协调地传送给每个用户[9]
5. 全双工
以往的基站和通信设备，如果以相同的频率收发信息，则收发必须错开时间进行；如果用户希望同时发送和接收信息，则收发必须在不同的频率进行。这就好比两列相向而行的火车，如果使用同一条铁轨，就必须错开时间运行；如果同时运行，就必须使用两条铁轨。全双工技术就好比让这两列火车能互不干涉地同时在同一条铁轨运行。借助全双工技术，设备的收发器将能够以相同的频率同时发送和接收数据，大大提高频谱效率[9]。
图8-对全双工技术的一种并不完全准确但足够生动的模拟[9]
前景展望
在业务方面，5G将在大幅提升“以人为中心”的移动互联网业务体验的同时，全面支持“以物为中心”的物联网业务，实现人与人、人与物、物与物的智能互联；在应用场景方面，5G将支持增强移动宽带、海量机器类通信和超高可靠低时延通信三大类应用场景；在流量趋势方面，视频流量增长、用户设备增长和新型应用普及将成为未来移动通信流量增长的主要驱动力[10]。
5G技术未来势必成为世界移动通讯领域中的关键，成为我们生活不可或缺的一部分。新技术能满足新需求，从而催生新行业，创造新的生活方式。正如短视频等行业借4G的东风崛起，5G技术也将助力许多行业的成长，并最终将我们的生活领向智能化、信息化，生产力的解放和发展。
图9-IMT-2020应用场景[10]
下期预告
本期“科学精神耀光华”就到这里啦！下期我们将聚焦量子保密通信技术，带你读懂量子保密通信技术背后蕴含的知识，记得关注哦～
参考文献：
[1]周一青, 潘振岗, 翟国伟, et al. 第五代移动通信系统5G标准化展望与关键技术研究[J]. 数据采集与处理, 2015(4):714-724.
[2]孙海霞, 肖燕. 5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 智能城市应用, 2019,2(7):39-41.
[3]陈晨. 从电报到5G 细说60年移动通信史的7个变革http://dcdv.zol.com.cn/719/7191951_all.html
[4]维基百科-File:Frequency reuse.svg https://en.wikipedia.org/wiki/File:Frequency_reuse.svg
[5]通信世界网. 多地展开4G体验 应用模式未明影响用户信心http://zhuanti.cww.net.cn/tech/html/2013/8/7/2013872105452942.htm
[6]张莹, 张家伟, 金晶. "5G元年"成绩单亮眼 还缺一款"刚需"应用？http://media.people.com.cn/n1/2020/0208/c40606-31576850.html
[7]新华网. 特稿：“5G元年”迎风启幕
http://www.xinhuanet.com/politics/2019-09/22/c_1125024647.htm
[8]HYC Co.,Ltd. 10,000 5G base stations will be added every week? What are the features of 5G? https://qiita.com/hycsystem/items/4cf0e7dfab51be630c0b
[9]Nordrum A, Clark K, IEEE Spectrum Staff. Everything You Need to Know About 5G https://spectrum.ieee.org/video/telecom/wireless/everything-you-need-to-know-about-5g
[10]陈晓贝. 第五代移动通信愿景和挑战http://www.ctiforum.com/news/guandian/472446.html
出品｜“大国智造 科技强国”团队
