5G移动通信:定义未来数字世界基本架构,引领创新生产新领域
时间: 2019-06-12 来源:千人杂志
提要:5G定义了未来数字世界的基本架构,是物联网、虚拟现实、自动驾驶、远程医疗等各种服务/技术的基础。

5G移动通信:定义未来数字世界基本架构,引领创新生产新领域

 

  文/王承祥 整理/本刊记者 何中花

每一次的技术变革,都是一次社会的跨越——

2G实现从1G的模拟时代走向数字时代;

3G实现从2G的语音时代走向数据时代;

4G实现IP化,使数据速率大幅度提升。

时至当下,5G浪潮滚滚而来,人类社会将会发生怎样的变化?在早已打响的5G战役中,中国该如何抢占先机、拔得头筹?为此,本刊专访国家特聘专家、东南大学信息科学与工程学院移动通信国家重点实验室教授王承祥,探讨5G从产生到发展再到顺利应用过程中面临的诸多问题。

5G是一种全新网络,满足人类社会新需求

记者:“5G是一种全新的网络,它能为大量设备提供支持。”在您看来,5G“新”在哪里?

王承祥:5G移动通信系统可提供20 Gbps的峰值速率、100 Mbps的用户体验速率、100万/km2的连接密度以及毫秒级的时延,支持每小时500 km以上的移动性。这是由于5G采用了若干革命性的新技术。其中,毫米波通信、大规模MIMO及超密集网络,被称为5G的三大关键技术。

当前无线通信所使用的6 GHz以下频段几近枯竭,为了进一步提高传输速率,解决当前的频谱危机问题,5G也利用毫米波段进行通信。毫米波一般是指30-300 GHz的频段,也泛指6-300 GHz以上的频段,相比于6 GHz以下频段,毫米波段的频谱资源极其丰富,并且由于波长较短而天线尺寸很小。然而,毫米波通信的路径损耗特别严重,空气中的水蒸气等都会导致其产生严重的衰落,且穿透能力较弱,人体、植被等都会对信号产生阻挡。为了增大毫米波信号的覆盖范围,5G采用大规模MIMO技术,在基站侧部署上百根天线,利用波束成形技术形成极窄波束,能够有效增大毫米波信号的覆盖范围,同时避免用户间干扰。超密集网络通过减小小区半径、频率复用、多样化的无线接入方式及各种类型的基站组成宏微异构的超密集网络架构,极大提高系统容量及频谱效率。

因此,5G是一种全新的网络,将采用新的频段、新的传输方法、新型网络架构等众多新型通信技术。

记者:1G到4G,从用户的角度来说,1G出现了移动通话,2G普及了移动通话,3G开启了移动互联网,4G普及了移动互联网,并基本满足了人们所有的互联网需求。那么5G技术应该满足人们什么需求?

王承祥:当前,全球新一轮科技革命和产业变革正在发生,远程医疗、自动驾驶、虚拟现实、物联网、工业自动化等技术迅速发展,现有的4G网络已经无法满足人们对于移动互联网日益增长的需求。移动互联网和物联网业务的爆发式增长成为5G发展的主要驱动力。在此背景下,5G移动通信系统应运而生,提出了传输速率、连接数和时延三个方面的需求,定义了增强型移动宽带(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)、超高可靠与低时延通信(uRLLC)三大应用场景。

5G eMBB提供了更高的传输速率和用户体验,其下行峰值传输速率将达到20 Gbps,意味着用户每秒可下载一部高清电影,能支持虚拟现实、增强现实等超高清业务。另一方面,传统移动通信主要应用于人与人的连接,而未来移动通信将重点服务于人与物,物与物的连接。据统计,到2025年,全球将有1000亿无线接入设备,人与人的连接可能只占总连接数的10%,人与物、物与物的连接将占大部分。届时,洗衣机、空调、冰箱,甚至是眼镜、鞋子都能接入网络。5G mMTC将使得万物互联、智能家居、智能城市等成为可能。5G uRLLC则主要应用于无人驾驶、工业自动化等高可靠低时延无线连接。人与人通话可接受的最大时延是300ms,而在无人驾驶领域,100ms的时延,车辆就会冲出几米。此外,无人驾驶需要在极短的时间内将车辆外界信息准确及时地回传,则要求通信具有极高的可靠性。

综上所述,5G移动通信系统对传输速率、连接数和时延等方面提出的技术需求,是为了满足人们对移动互联网、物联网和移动信息基础设施的需求。

记者:有人说5G不仅仅是新一代移动通信标准,也将是未来数字世界的基本架构。对于5G,我们应如何科学看待?

王承祥:与电力、交通等领域类似,通信网络是关系到国计民生的基本设施。随着网络化、信息化、智能化时代的到来,移动互联网、物联网、人工智能和虚拟现实等新型技术/服务,正在成为国家发展的长期经济驱动力。而5G移动通信技术将成为这种经济驱动力的催化剂,极大地激发国家经济潜力。

5G移动通信标准的制定也将推动全球经济增长。5G定义了未来数字世界的基本架构,是物联网、虚拟现实、自动驾驶、远程医疗等各种服务/技术的基础。例如,没有5G的超高传输速率,就没有虚拟现实、增强现实等高清视频服务。没有5G的高可靠低延时通信,则无人驾驶、远程医疗等技术无法实现。5G是实现未来移动互联网和物联网的前提和基础,将引领消费者和企业走向提升生产力和创新的新领域。

记者:鉴于2G有两个标准,3G有3个标准,4G有两个标准,如今全球通信业已达成共识:5G要形成一个统一标准。5G标准化之路目前走得怎么样了?5G标准的诞生,对全球通信业来说有什么样的重大意义?

王承祥:5G标准化推进很快。2017年12月,3GPP发布5G非独立组网标准,随后在2018年6月,3GPP完成了5G独立组网的标准,目前5G R15标准已冻结,R16标准正在制定中。

2G有两个标准,3G有3个标准,4G有两个标准。多种通信标准导致在不同网络和设备之间进行互联互通存在一定障碍。设备商要根据不同的标准分别进行产品研发、测试,运营商要对不同标准的网络分别进行规划与部署,这在一定程度上造成了资金、资源的浪费。统一的5G标准,可加快研发速度,提高研发效率,节约网络部署成本。5G标准的确立,是全球通信业的重要里程碑,世界各国均参与到争取5G标准制定话语权中,力争占据5G战略的制高点。在此背景下,通信设备制造商和服务运营商均将凝聚更多力量进行5G产业端发展,加快5G产业发展步伐。

中国5G技术:先进成熟但仍面临诸多挑战

记者:5G时代真的来临了吗?目前的5G技术机理是否可行?

王承祥:随着5G标准的正式制定,5G已经进入实际部署阶段,5G时代即将来临。2019年被认为是5G的商用元年,工信部表示2019年将发放5G临时牌照,许多城市有望体验到商用5G网络,许多基于5G网络的应用也将陆续推出。

2019年1月20日,华为联合中国联通以及多家医院,成功实现了全球首例5G远程手术;2019年2月4日除夕夜,在中国电信的技术支持下,央视春晚主会场与深圳分会场的5G+4K超高清直播视频顺利接通并传送;2019年4月18日,中国电信宣布已成功实现了业界首个基于5G独立组网的语音通话。这些事例都表明,目前的5G技术机理是可行的。

记者:5G已然成为世界各国争夺的焦点,可以说谁率先掌握了5G谁就掌握了这场战争的主导权。我国5G技术正处于一个什么样的水平?

王承祥:我国移动通信技术经历了2G时代跟随、3G时代参与到4G时代并跑的发展历程。在5G时代,全球业界普遍认为,中国已成功跻身第一梯队。随着中国通信厂商和运营商的不断发展,中国在无线通信标准制定中的地位越来越重要,移动通信市场占有量不断提高。

例如,由中国通信设备商华为主推的Polar码被3GPP采纳为5G增强移动宽带场景中控制信道的编码方案,其推出的Balong 5000芯片是目前业内集成度最高、性能最强的5G终端基带芯片,也是世界上首款单芯多模5G基带芯片,能耗更低、性能更强;其推出的“刀片式”基站采用统一的模块化设计,射频、基带、电源、电池、微波、传输等模块均采用刀片化设计,可实现不同模块间的任意快速无缝拼装和组合,安装更加灵活,荣获2018年度国家科学技术进步奖一等奖。

根据调查机构预测,到2025年,中国的5G覆盖率将占全球5G覆盖的25%,与美国、日本一起成为全球前三的5G大国,这些都与中国先进成熟的5G技术是分不开的。

记者:我国要想在5G时代从跟跑、并跑到领跑,还需克服哪些难关?又该如何布局?

王承祥:我国想在5G时代领跑,仍面临很多挑战,存在着诸多需要攻克的难关。

首先,我国芯片产业基础薄弱,比如高速高精度数模转换、模数转换、FPGA、光通信等芯片高度依赖进口,某些核心元器件基本被外商把控。其次,5G标准制定方面,中国并不具备压倒性优势,很多关键技术仍依赖国外技术授权。实际上,中美欧在5G时代都没出现一家独大的情况,这对于中国既是机遇也是挑战。此外,某些国外政府以维护网络安全为名,将我国的通信企业拒之门外,从而一定程度上限制我国5G产业的发展。

为了应对以上挑战,第一,我国应持续加大对芯片产业的研发投入,提高我国芯片产业的核心竞争力,解决被国外“卡脖子”的技术难题。第二,我国应做好上层设计从国家宏观层面明确未来5G的发展目标和方向,通过政策导向,积极组织推动5G核心技术的突破;在企业层面,国内通信设备领军企业,如华为、中兴等,应高度重视对5G技术的研发布局,在标准制定和产业应用等方面获得国际上的认可;国内高校和科研机构也应从服务国家战略需求出发,持续进行5G核心技术创新研究以及下一代6G移动通信先期研究,为我国移动通信技术领跑提供源源不断的推动力。

5G时代竞争激烈:精准布局、瞄准商机是关键

记者:您认为,5G的商用前景如何?在这样一个大背景下,国家、企业以及个人应如何运用5G技术获得商机?

王承祥:线通信网络作为国家的基础设施,在国民经济中占据着重要位置。早在3G和4G时代,全球主要国家就已经在通信标准制定方面激烈竞争。在5G时代,通信标准以及通信产业的竞争已经上升到了国家与国家之间的战略竞争层面。5G不仅是无线通信产业的升级换代,更是一次技术变革,是国民经济转型升级的重要推动力。

因此,国家应持续加大对5G技术和产业的投入。在企业方面,中国有着全球最大的单一市场,中国市场这样的规模效应为通信企业提供了巨大的商机。此外,5G的高速率、海量连接、低延时和高可靠通信,将会彻底改变多种现有行业,以5G驱动的多种新型产业,如智慧城市、智慧家居、无人驾驶、远程医疗等将会迅速发展,由此带来巨大商机,同时也将会为个人提供给更多就业和创业机会。

记者:作为东南大学信息科学与工程学院移动通信国家重点实验室教授,您长期从事无线通信领域的研究工作,您认为高校和企业该如何配合好,协力研发5G通信技术?

王承祥:高校和企业应建立协同创新工作机制。例如,成立联合科研机构,开展5G需求、技术、标准等研究工作。在5G通信技术研发方面,高校已经进行了长期、大量的技术积累,而多数成果仍旧停留在论文、专利层面。高校可联合企业,加大、促进科研成果转化。此外,企业可通过设立科研基金、科研项目等方式,加大对高校5G通信技术研发投入。高校与企业的研发合作,可为新一代移动通信技术发展协同贡献重要力量。

记者:目前的移动通信行业4G、5G再往后发展,未来的发展趋势在哪里呢?还有哪些地方可以升级呢?

王承祥:5G移动通信系统专注于陆地网络覆盖问题,主要依靠地面基站等设施完成网络覆盖。未来6G移动通信系统除了继续增强5G的各种性能指标外,还将提供实现空天地海一体化的“泛在融合信息网络”。

首先,6G移动通信系统将会融合地面移动通信网络、无人机通信网络、海洋通信网络以及卫星通信网络,形成全球移动通信覆盖网络,以提供环境监测、灾害预警、地球成像以及卫星数据业务等多种服务。其次,随着移动互联网和物联网的发展,在不远的未来5G移动通信网络也将无法满足人们对于移动通信的需求,6G移动通信将探索和利用更高的频谱资源,如太赫兹和光频谱。再次,随着人工智能和大数据技术的快速发展和行业渗透,通信与人工智能、大数据的深度融合,将成为未来通信技术发展的必然选择。最后,网络安全涉及到国家发展和信息安全,需在通信系统设计之初加以充分考虑,量子计算、区块链等作为有发展前景的通信网络安全技术将被深入研究。

综上所述,5G之后的移动通信将呈现全覆盖、全频谱、全应用、强安全的发展趋势,在空天地海一体化网络、太赫兹/无线光、人工智能、大数据、量子计算等方面进行行业升级。

王承祥,国家特聘专家,东南大学信息科学与工程学院移动通信国家重点实验室教授

王承祥 何中花


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