你不知道的5G背后必不可少的技术基础

未来已来，当前，5G已经成为一项重要的基础设施，对全球经济的发展带来巨大的影响和变革。因此，5G不仅是技术的升级换代，还决定这我们未来10年的生活、工作。5G网络技术如此重要，但很少有人知道5G背后必不可少的技术基础。

高频段传输

5G与4G相比，采用了新的频谱，即毫米波频段。

1G到4G阶段，移动通信网络技术的工作频段主要集中在3GHz以下，这使得频谱资源非常拥挤。而5G采用的是高频段（如毫米波），目前实验用频率多为28GHz，可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，可以进行极高速、短距离通信。

在通信领域，有这样一个公式：с（速度）=λ（波长）×ν（频率），即可用电波频率越多，传输速度也就越高。5G的电波频率范围虽然宽了，但电波的频率和波长成反比。因此，5G的关键就是使用超高频电波，这就需要建立比4G时代数量更多的基站。

这里打个比方来解释。当前，通信应用的频谱频率越来越高，就好像是路越修越宽，理论上讲，在上面的车就可以越跑越快，但实际情况好像不是这样。比如，只比四环多一环的北京五环，路已经非常宽了，但每天早高峰的场景依旧没有改变。因为，一方面，车辆太多；另一方面，大家在早高峰的时间段都在抢时间，使得道路通行情况凌乱无序，所以导致拥堵。

由此可见，单一地将路面拓宽，并不能给交通带来良好的出行效率，而且受诸多客观因素和条件的限制，拓宽路面也不是一蹴而就的事情。所以，要想解决拥堵问题，最好的办法就是提升道路的利用率。

频谱资源也是一样，可用的十分有限的。使用手机等终端设备的人越来越多，运营商只能在一段频谱的跨度内（即带宽）让所有用户都能同时使用。所以，5G无线通信要想提升一个频谱跨度的用户利用率，提升用户的无线通信速度，就需要在波长上做文章。

不同的波长，其通信方面的用途也不尽相同。如表1-4所示：

表1-4　不同波长的频率及用途

一直以来，我们使用的都是上表1-4中用途栏中有“移动通信”“数字通信”字样的中频至超高频进行手机通信的。

毫米波作为极高频，其波长为1～10mm，是波长最短的波，其频率在300G～30GHZ，却是频率最高的。频率越高，其带宽就越大，速度就越快。5G要想达到高速度，就必须通过波长最短、频率最高的毫米波来实现。所以，5G的关键技术之一就是高频段传输。

新型多天线传输

随着移动通信技术的发展，与之相匹配的手机，从外观上不但变得轻薄、易于携带，而且与大哥大相比，天线也逐渐缩短，直至消失。那么天线真的是像我们看到的那样真的消失了吗？其实不然，眼见不一定为实。

这并不是意味着随着手机越来越智能化就不需要天线，天线就“消失”了，而是天线越变越小，隐藏在了手机里边。

这里我们可以用一个简单知识来解释：

天线的长度与波长成正比，在1/10～1/4。

公式为：天线长度=波长×1/10～波长×1/4。

5G时代，采用的是高频段（毫米波）传输技术，由于毫米波波长极短，所以天线的长度也变得越来越短，变为毫米级。这就意味着，天线完全可以塞进手机的里面，甚至可以塞很多根，即采用新型多天线传输技术来实现。

多天线技术经历了从无源到有源，从二维到三维，从高阶MIMO[5]到大规模列阵的发展，这将使得频谱效率提升数十倍甚至更高。

因为引入了有源天线列阵，基站可支持的协作天线数量能够达到128根。另外，原来二维天线列阵拓展为三维天线列阵之后，形成了新的三维MIMO技术，可以支持多用户同时使用5G通信网络，减少用户之间的干扰，这将进一步改善5G网络信号覆盖的性能。

设备到设备通信

5G的商用，自然少不了设备与设备之间的互联互通，这些设备可以是手机，也可以是汽车、家居设备、路边基础设施等。这就是设备到设备的通信（D2D），即用户设备在有或者没有接入基站等网络基础设施的情况下进行相互通信的技术。

这一技术开创了以设备为中心的全新通信方式，通常不需要与网络基础设施相连接，而是直接进行通信。简单来讲，就是在5G时代下，基于设备到设备通信技术，在同一基站下的两个用户，如果相互进行通信，他们的数据将不再通过基站转发，而是直接从手机到手机传输。如图1-9所示：

在这一技术的基础上，就可以使得5G在应用过程中节约了大量的空中资源，也减轻了5G基站的压力。

超密集网络

通信网络分为有线通信和无线通信两大类型。如今，无线通信网络作为通信网络的一部分，正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向不断发展。随着各种智能终端设备的不断普及，数据流量将以井喷的方式增长。在未来，数据业务将成为热点业务。

为了很好地解决未来移动网络数据流量猛增，以及用户体验速率提升10～100倍的需求，除了增加频谱带宽和使用先进的无线传输技术来提高频谱利用率，提升无线系统容量最为有效的方法就是通过加密小区网络部署，提升空间复用度。传统无线通信系统通常采用的是小区分裂的方法来减小网络覆盖小区的半径，然而，随着小区覆盖范围的进一步缩小，小区分裂将很难进行，需要在室内、室外热点区域密集部署低功率小基站，这些小基站越建越多，就形成了一个超密集组网。这使得超密集网络成为未来5G发展的重要方面。所以，超密集网络也成为了5G的一项关键技术。

超密集网络可以使网络覆盖面更广，能够大幅度提升系统容量，并且可以对数据业务进行有效分流，使得网络部署更加灵活、频率复用更加高效。

网络切片

在5G关键技术中，最为重要的就是网络切片技术。

那么切片到底将什么切成了片？具体如何来理解呢？

从运维管理角度来看，我们可以将移动网络想象为一个庞大的交通系统，用户可以看作是车辆，而网络可以看作是道路。随着车辆的不断增加，城市道路会变得越来越拥堵。为了缓解这个状况，交通部门会根据车辆和运营方式的不同进行分流管理，移动网络也需要这样的专有通道进行分类管理。

从业务应用角度来看，2G、3G、4G网络技术的应用，只在一定程度上满足了人们电话或上网的业务需求。在未来数据爆炸式增长的时代，新的业务量会增加很多，由此带来更多的业务需求，而传统网络就像是混凝土盖的房子一样，一旦建成之后，后续进行拆改难度会大很多。所以需要重新构建一种网络系统来满足这些越来越丰富、越来越复杂的业务需求，并且还能分类管理，灵活部署。于是，网络切片应运而生了。

网络切片是根据不同业务对用户数、带宽的要求，将物理网络切割成多张相互独立的端到端网络，而且各个切片之间相互绝缘，彼此之间不会互相干扰。

如果我们将4G网络比作是一把刀，那么5G网络就可以看作是一把更加锋利的“瑞士军刀”。因为5G使用了网络切片技术，可以切出了多张虚拟的端到端网络，可以让业务变得更加灵活。因此，安全性、完整性、灵活性是网络切片的特点。

非正交多址接入技术

从1G到4G，以正交多址接入技术（OMA）为基础，其数据业务的传输速率达到了100Mb/s，甚至更高，能够较大程度满足一段时期内宽带移动通信应用的需求。但是其限制了无线通信资源的自由度。

然而，随着智能终端设备的不断普及，移动新业务不断增加，4G的无线通信传输速率将难以为继。非正交多址接入技术（NOMA）的应用成为必然，更成为5G的一个热门关键技术。

因为，正交多址技术（OMA）中，只能为一个用户分配单一的无线资源。例如，按频率分割或按时间分割，而NOMA方式可将一个资源分配给多个用户。这样，NOMA与OMA相比，具有更高的资源分配能力，从而在不影响用户体验的前提下增加了网络的吞吐量，使得5G得益于NOMA，能够实现海量连接，满足了高频谱效率的需求。