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5G移動通信:定義未來數字世界基本架構,引領創新生產新領域
時間:2019-07-10 11:34:09來源:千人雜志
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提要:5G定義了未來數字世界的基本架構,是物聯網、虛擬現實、自動駕駛、遠程醫療等各種服務/技術的基礎。
5G移動通信:定義未來數字世界基本架構,引領創新生產新領域

  文/王承祥 整理/本刊記者 何中花

每一次的技術變革,都是一次社會的跨越——

2G實現從1G的模擬時代走向數字時代;

3G實現從2G的語音時代走向數據時代;

4G實現IP化,使數據速率大幅度提升。

時至當下,5G浪潮滾滾而來,人類社會將會發生怎樣的變化?在早已打響的5G戰役中,中國該如何搶占先機、拔得頭籌?為此,本刊專訪國家特聘專家、東南大學信息科學與工程學院移動通信國家重點實驗室教授王承祥,探討5G從產生到發展再到順利應用過程中面臨的諸多問題。

5G是一種全新網絡,滿足人類社會新需求

記者:“5G是一種全新的網絡,它能為大量設備提供支持。”在您看來,5G“新”在哪里?

王承祥:5G移動通信系統可提供20 Gbps的峰值速率、100 Mbps的用戶體驗速率、100萬/km2的連接密度以及毫秒級的時延,支持每小時500 km以上的移動性。這是由于5G采用了若干革命性的新技術。其中,毫米波通信、大規模MIMO及超密集網絡,被稱為5G的三大關鍵技術。

當前無線通信所使用的6 GHz以下頻段幾近枯竭,為了進一步提高傳輸速率,解決當前的頻譜危機問題,5G也利用毫米波段進行通信。毫米波一般是指30-300 GHz的頻段,也泛指6-300 GHz以上的頻段,相比于6 GHz以下頻段,毫米波段的頻譜資源極其豐富,并且由于波長較短而天線尺寸很小。然而,毫米波通信的路徑損耗特別嚴重,空氣中的水蒸氣等都會導致其產生嚴重的衰落,且穿透能力較弱,人體、植被等都會對信號產生阻擋。為了增大毫米波信號的覆蓋范圍,5G采用大規模MIMO技術,在基站側部署上百根天線,利用波束成形技術形成極窄波束,能夠有效增大毫米波信號的覆蓋范圍,同時避免用戶間干擾。超密集網絡通過減小小區半徑、頻率復用、多樣化的無線接入方式及各種類型的基站組成宏微異構的超密集網絡架構,極大提高系統容量及頻譜效率。

因此,5G是一種全新的網絡,將采用新的頻段、新的傳輸方法、新型網絡架構等眾多新型通信技術。

記者:1G到4G,從用戶的角度來說,1G出現了移動通話,2G普及了移動通話,3G開啟了移動互聯網,4G普及了移動互聯網,并基本滿足了人們所有的互聯網需求。那么5G技術應該滿足人們什么需求?

王承祥:當前,全球新一輪科技革命和產業變革正在發生,遠程醫療、自動駕駛、虛擬現實、物聯網、工業自動化等技術迅速發展,現有的4G網絡已經無法滿足人們對于移動互聯網日益增長的需求。移動互聯網和物聯網業務的爆發式增長成為5G發展的主要驅動力。在此背景下,5G移動通信系統應運而生,提出了傳輸速率、連接數和時延三個方面的需求,定義了增強型移動寬帶(eMBB)、海量機器類通信(mMTC)、超高可靠與低時延通信(uRLLC)三大應用場景。

5G eMBB提供了更高的傳輸速率和用戶體驗,其下行峰值傳輸速率將達到20 Gbps,意味著用戶每秒可下載一部高清電影,能支持虛擬現實、增強現實等超高清業務。另一方面,傳統移動通信主要應用于人與人的連接,而未來移動通信將重點服務于人與物,物與物的連接。據統計,到2025年,全球將有1000億無線接入設備,人與人的連接可能只占總連接數的10%,人與物、物與物的連接將占大部分。屆時,洗衣機、空調、冰箱,甚至是眼鏡、鞋子都能接入網絡。5G mMTC將使得萬物互聯、智能家居、智能城市等成為可能。5G uRLLC則主要應用于無人駕駛、工業自動化等高可靠低時延無線連接。人與人通話可接受的最大時延是300ms,而在無人駕駛領域,100ms的時延,車輛就會沖出幾米。此外,無人駕駛需要在極短的時間內將車輛外界信息準確及時地回傳,則要求通信具有極高的可靠性。

綜上所述,5G移動通信系統對傳輸速率、連接數和時延等方面提出的技術需求,是為了滿足人們對移動互聯網、物聯網和移動信息基礎設施的需求。

記者:有人說5G不僅僅是新一代移動通信標準,也將是未來數字世界的基本架構。對于5G,我們應如何科學看待?

王承祥:與電力、交通等領域類似,通信網絡是關系到國計民生的基本設施。隨著網絡化、信息化、智能化時代的到來,移動互聯網、物聯網、人工智能和虛擬現實等新型技術/服務,正在成為國家發展的長期經濟驅動力。而5G移動通信技術將成為這種經濟驅動力的催化劑,極大地激發國家經濟潛力。

5G移動通信標準的制定也將推動全球經濟增長。5G定義了未來數字世界的基本架構,是物聯網、虛擬現實、自動駕駛、遠程醫療等各種服務/技術的基礎。例如,沒有5G的超高傳輸速率,就沒有虛擬現實、增強現實等高清視頻服務。沒有5G的高可靠低延時通信,則無人駕駛、遠程醫療等技術無法實現。5G是實現未來移動互聯網和物聯網的前提和基礎,將引領消費者和企業走向提升生產力和創新的新領域。

記者:鑒于2G有兩個標準,3G有3個標準,4G有兩個標準,如今全球通信業已達成共識:5G要形成一個統一標準。5G標準化之路目前走得怎么樣了?5G標準的誕生,對全球通信業來說有什么樣的重大意義?

王承祥:5G標準化推進很快。2017年12月,3GPP發布5G非獨立組網標準,隨后在2018年6月,3GPP完成了5G獨立組網的標準,目前5G R15標準已凍結,R16標準正在制定中。

2G有兩個標準,3G有3個標準,4G有兩個標準。多種通信標準導致在不同網絡和設備之間進行互聯互通存在一定障礙。設備商要根據不同的標準分別進行產品研發、測試,運營商要對不同標準的網絡分別進行規劃與部署,這在一定程度上造成了資金、資源的浪費。統一的5G標準,可加快研發速度,提高研發效率,節約網絡部署成本。5G標準的確立,是全球通信業的重要里程碑,世界各國均參與到爭取5G標準制定話語權中,力爭占據5G戰略的制高點。在此背景下,通信設備制造商和服務運營商均將凝聚更多力量進行5G產業端發展,加快5G產業發展步伐。

中國5G技術:先進成熟但仍面臨諸多挑戰

記者:5G時代真的來臨了嗎?目前的5G技術機理是否可行?

王承祥:隨著5G標準的正式制定,5G已經進入實際部署階段,5G時代即將來臨。2019年被認為是5G的商用元年,工信部表示2019年將發放5G臨時牌照,許多城市有望體驗到商用5G網絡,許多基于5G網絡的應用也將陸續推出。

2019年1月20日,華為聯合中國聯通以及多家醫院,成功實現了全球首例5G遠程手術;2019年2月4日除夕夜,在中國電信的技術支持下,央視春晚主會場與深圳分會場的5G+4K超高清直播視頻順利接通并傳送;2019年4月18日,中國電信宣布已成功實現了業界首個基于5G獨立組網的語音通話。這些事例都表明,目前的5G技術機理是可行的。

記者:5G已然成為世界各國爭奪的焦點,可以說誰率先掌握了5G誰就掌握了這場戰爭的主導權。我國5G技術正處于一個什么樣的水平?

王承祥:我國移動通信技術經歷了2G時代跟隨、3G時代參與到4G時代并跑的發展歷程。在5G時代,全球業界普遍認為,中國已成功躋身第一梯隊。隨著中國通信廠商和運營商的不斷發展,中國在無線通信標準制定中的地位越來越重要,移動通信市場占有量不斷提高。

例如,由中國通信設備商華為主推的Polar碼被3GPP采納為5G增強移動寬帶場景中控制信道的編碼方案,其推出的Balong 5000芯片是目前業內集成度最高、性能最強的5G終端基帶芯片,也是世界上首款單芯多模5G基帶芯片,能耗更低、性能更強;其推出的“刀片式”基站采用統一的模塊化設計,射頻、基帶、電源、電池、微波、傳輸等模塊均采用刀片化設計,可實現不同模塊間的任意快速無縫拼裝和組合,安裝更加靈活,榮獲2018年度國家科學技術進步獎一等獎。

根據調查機構預測,到2025年,中國的5G覆蓋率將占全球5G覆蓋的25%,與美國、日本一起成為全球前三的5G大國,這些都與中國先進成熟的5G技術是分不開的。

記者:我國要想在5G時代從跟跑、并跑到領跑,還需克服哪些難關?又該如何布局?

王承祥:我國想在5G時代領跑,仍面臨很多挑戰,存在著諸多需要攻克的難關。

首先,我國芯片產業基礎薄弱,比如高速高精度數模轉換、模數轉換、FPGA、光通信等芯片高度依賴進口,某些核心元器件基本被外商把控。其次,5G標準制定方面,中國并不具備壓倒性優勢,很多關鍵技術仍依賴國外技術授權。實際上,中美歐在5G時代都沒出現一家獨大的情況,這對于中國既是機遇也是挑戰。此外,某些國外政府以維護網絡安全為名,將我國的通信企業拒之門外,從而一定程度上限制我國5G產業的發展。

為了應對以上挑戰,第一,我國應持續加大對芯片產業的研發投入,提高我國芯片產業的核心競爭力,解決被國外“卡脖子”的技術難題。第二,我國應做好上層設計從國家宏觀層面明確未來5G的發展目標和方向,通過政策導向,積極組織推動5G核心技術的突破;在企業層面,國內通信設備領軍企業,如華為、中興等,應高度重視對5G技術的研發布局,在標準制定和產業應用等方面獲得國際上的認可;國內高校和科研機構也應從服務國家戰略需求出發,持續進行5G核心技術創新研究以及下一代6G移動通信先期研究,為我國移動通信技術領跑提供源源不斷的推動力。

5G時代競爭激烈:精準布局、瞄準商機是關鍵

記者:您認為,5G的商用前景如何?在這樣一個大背景下,國家、企業以及個人應如何運用5G技術獲得商機?

王承祥:線通信網絡作為國家的基礎設施,在國民經濟中占據著重要位置。早在3G和4G時代,全球主要國家就已經在通信標準制定方面激烈競爭。在5G時代,通信標準以及通信產業的競爭已經上升到了國家與國家之間的戰略競爭層面。5G不僅是無線通信產業的升級換代,更是一次技術變革,是國民經濟轉型升級的重要推動力。

因此,國家應持續加大對5G技術和產業的投入。在企業方面,中國有著全球最大的單一市場,中國市場這樣的規模效應為通信企業提供了巨大的商機。此外,5G的高速率、海量連接、低延時和高可靠通信,將會徹底改變多種現有行業,以5G驅動的多種新型產業,如智慧城市、智慧家居、無人駕駛、遠程醫療等將會迅速發展,由此帶來巨大商機,同時也將會為個人提供給更多就業和創業機會。

記者:作為東南大學信息科學與工程學院移動通信國家重點實驗室教授,您長期從事無線通信領域的研究工作,您認為高校和企業該如何配合好,協力研發5G通信技術?

王承祥:高校和企業應建立協同創新工作機制。例如,成立聯合科研機構,開展5G需求、技術、標準等研究工作。在5G通信技術研發方面,高校已經進行了長期、大量的技術積累,而多數成果仍舊停留在論文、專利層面。高校可聯合企業,加大、促進科研成果轉化。此外,企業可通過設立科研基金、科研項目等方式,加大對高校5G通信技術研發投入。高校與企業的研發合作,可為新一代移動通信技術發展協同貢獻重要力量。

記者:目前的移動通信行業4G、5G再往后發展,未來的發展趨勢在哪里呢?還有哪些地方可以升級呢?

王承祥:5G移動通信系統專注于陸地網絡覆蓋問題,主要依靠地面基站等設施完成網絡覆蓋。未來6G移動通信系統除了繼續增強5G的各種性能指標外,還將提供實現空天地海一體化的“泛在融合信息網絡”。

首先,6G移動通信系統將會融合地面移動通信網絡、無人機通信網絡、海洋通信網絡以及衛星通信網絡,形成全球移動通信覆蓋網絡,以提供環境監測、災害預警、地球成像以及衛星數據業務等多種服務。其次,隨著移動互聯網和物聯網的發展,在不遠的未來5G移動通信網絡也將無法滿足人們對于移動通信的需求,6G移動通信將探索和利用更高的頻譜資源,如太赫茲和光頻譜。再次,隨著人工智能和大數據技術的快速發展和行業滲透,通信與人工智能、大數據的深度融合,將成為未來通信技術發展的必然選擇。最后,網絡安全涉及到國家發展和信息安全,需在通信系統設計之初加以充分考慮,量子計算、區塊鏈等作為有發展前景的通信網絡安全技術將被深入研究。

綜上所述,5G之后的移動通信將呈現全覆蓋、全頻譜、全應用、強安全的發展趨勢,在空天地海一體化網絡、太赫茲/無線光、人工智能、大數據、量子計算等方面進行行業升級。

王承祥,國家特聘專家,東南大學信息科學與工程學院移動通信國家重點實驗室教授

標簽
5g 移動 通信 定義 未來 數字 世界 基本 架構 引領 創新 生產 新領域

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作者系王承祥 何中花

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