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[2017年] 中国计划投1800亿美元建设5G网络 5G到底有多重要?

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  : 雷锋网
  雷锋网按:本文作者铁流,雷锋网首发文章。
  在这几年,4G通信刚刚进入寻常百姓家。5G通信又映入人们眼帘,根据媒体报道,中国将斥资1800亿美元建设全球最大的5G网络。那么,5G通信相对于4G通信到底有哪些技术进步?中国掌握了哪些5G通信关键技术?斥资1800亿美元建设全球最大的5G网络到底能带来哪些好处?
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5G通信相对于4G通信的进步
  5G指的是第五代通信技术,具有连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠性等特点,而这些就是5G通信相对于4G通信的最显著进步。
  连续广域覆盖指的是能在偏远山区、地下车库、高速移动状态下,以保证用户的移动性和业务连续性为目标,为用户提供100Mbps以上的高速业务体验,换言之,就是信号覆盖范围更广,网速更快,而且在现在4G网络表现不是特别好的地下车库,或者高铁等快速移动的场景能有比较流畅的体验。
  热点高容量指的是在人口密集区为用户提供1Gbps用户体验速率和10Gbps峰值速率;在流量热点区域,可实现每平方公里10-100Tbps的流量密度。也就是在人口高度密集的区域,再也不用担心因为过多4G用户同时使用网络而导致网速下降或者网络拥堵了。
  低功耗大连接能够提供具备超千亿网络连接的支持能力,满足100万/km2连接数密度指标要求。这项功能主要面对面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景,对于提升城市管理能力、政府公共服务、森林防火,以及更好的打击犯罪维护社会秩序都有很大的积极意义。
  低时延高可靠指的是为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。这主要是面向自动驾驶、工业4.0等行业的特殊应用需求。毕竟自动驾驶对于延时和通信的可靠性要求非常高,如果达不到所需的要求很可能导致车毁人亡。
  从中可以看出,相对于4G通信,5G通信能够提供覆盖更广泛的信号,而且上网的速度更快、流量密度更大,同时还将渗透到物联网中,实现智慧城市、环境监测、智能农业、工业自动化、医疗仪器、无人驾驶、家用电器和手持通讯终端的深度融合,换言之,就是万物互联。

中国掌握了哪些5G关键技术
  由于5G通信标准依然在制定过程中,诸多技术也在发展,而且对于某些技术是否会成为5G通信的关键技术也存在争议,就此简单介绍下业界比较看好的一些关键技术。
  首先是多址。多址技术指的是解决多个用户同时和基站通信的问题,怎么来分享资源的技术,第一代通信采用的是FDMA技术,第二代通信采用的是TDMA技术,第三代通信采用的是CDMA技术,第四代通信采用的是OFDMA技术。
  高通在3G时代之所以能占据近乎统治地位,一定程度就得益于对CDMA专利的垄断,而在4G时代因为中欧联手“去高通化”,没有通过CDMA进行演进,而是选择了OFDMA技术,加上其他一些因素,使得高通在4G时代跌落神坛。这些事例都表明多址技术的重要性。在5G标准争夺战中,多址是一个很关键的争夺点,现在流行看法就是NOMA,不过也有学者持不同看法。
  其次是编码。编码有长码和短码组成,一般采用最短的二进制位数表示一个指令,二进制位数越短则效率越高,在指令数量不变的情况下,越常用的指令当然越短越好。然而,如果一味的追求指令简短,必然会导致很多指令不等长,而不等长的指令将造成接收端沉重的处理负担。如果用等长的长编码虽然可以解决不等长指令的问题,但显然会导致无效数据的大量传输,浪费带宽。
  在此情形下,工程师采取了折中的方案──把指令编成两个组或者三个组,常用的指令用相对短的二进制位数表示,不常用的指令用相对长的二进制位数表示,这样就解决了数据传输效率和减少接收端处理负担的矛盾。
  在去年,中国厂商主推的Polar与欧洲主推的Turbo2.0、美国主推的LDPC开展了eMBB场景长码和短码方案的争夺。美国企业斩获了eMBB场景的长码和短码的编码信道(用来增强数据在信道中传输时抵御各种干扰的能力),中国企业获得eMBB场景短码的控制信道(主要用于传输指令操作下级网络设备)。虽然在eMBB场景编码技术的博弈中,中国主推的Polar逊色于美国主推的LDPC一筹,但相对于毫无斩获的Turbo2.0还是要强不少。
  最后是多天线技术。多天线是一种增加容量的技术,在理论上能把容量提高很多倍。简单的说,就是在现有多天线的基础上通过增加天线数,甚至配置数十根甚至数百根以上天线,支持数十个独立的空间数据流,实现用户系统频谱效率的大幅提升。
  现在业界比较看好的是MIMO技术,大规模MIMO技术不仅能够在不增加频谱资源的情况下降低发射功率、减小小区内以及小区间干扰,还能实现频谱效率和功率效率在4G 的基础上再提升一个量级。此外,射频调制解调技术、软频率复用技术也有望成为5G通信的关键技术,特别是软频率复用方面的重量级专利掌握在中国企业的手中。
  总体来说,中国在多项5G关键技术上取得重要突破,一些技术已经进入测试验证阶段。在最近,展讯第一版使用FPGA的原型机Pilot V1已完成与华为的对接实验,第二版原型机计划带宽将提高到100M,并于2017年下半年与系统厂商进行对接。

投入1800亿元能促进产业发展
  在5G时代即将到来之际,三大运营商投入1800亿美元建设5G通信网络是具有远见的举措,不仅能快速推进5G通信产业化,还能强大中国通信产业,并为有助于中国在5G通信标准中获得更大的话语权。
  对于制造业而言,如果用5G网络把工厂连起来,用统一的平台将中国的工厂连接起来,完善工业制造的大数据,飞机合作开发终端、汽车合作开发终端、舰船合作开发终端。这就能实现工业4.0,进一步提升中国工业的技术水平和生产效率,完成中工业大国到工业强国的转变。
  另外,工业互联网还能有助于促进年轻人创业,降低创业的技术门槛和资金成本。如果投身制造业,在年轻人创业过程中,很大一块成本就是建厂、购买设备、训练工人,以及实现低成本的批量化生产。当工业互联网将工厂与工厂,工厂与普通人连接起来之后,则提供了另一种可能。在工业生产的淡季,工厂可以将闲置产能以租凭的形式放到网络上,有创意和想法的创业者可以通过网络和工厂对接,像操作手机APP一样输入产品参数,以获得工厂提供的定制化服务,产品则会送到约定地点。
  5G还将改变人们的生活方式。随着自动驾驶技术的进一步成熟,自动驾驶将会逐步走入人们的生活,在5G网络将车辆连在一起之后,辅助以高精度地图,就能大幅方便人民群众的出行。5G网络还使智能生活得以实现,用户可以依靠手机在千里之外对家中的一切了如指掌──在下班等待公交或地铁的途中,我们可以查看家里冰箱的食物储备,命令电饭煲加热米饭,微波炉加热食物,空调恒定温度,热水器烧热水,智能电商下载喜欢的电影……
  此外,智能穿戴设备与小孩、老人身上的智能硬件连接,在工作的闲暇,人们可以时刻掌握老人和孩子的情况。智能手表不仅可以实现语音通信、查看时间等功能,还能时时检测佩带着的脉搏、体温等健康数据。虚拟现实设备能使大家在家中就能获得身临其境的感受。各种传感器可以时时监控智能农场的光照、温度、湿度等参数,时时调整农作物获得的光照、化肥和水分,使农场实现无人化管理……这些功能所需要的庞大数据传输能力则由5G网络来解决。
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