最近在各种新闻和资讯中，5G成为频繁出现的热词：雄安新区要建立5G创新示范区，最近即将发布第一版5G标准，工业和信息化部正在部署5G外场试验。那么5G究竟是什么？5G网络相比现有网络有怎样的优势？它又能给我们带来什么样的应用前景呢？
移动通信技术的发展历程
5G（G是英文单词Generation的首字母）就是第五代移动通信系统。综观移动通信的发展历程，当代移动通信已经经历了4个阶段。
早在30年前，中国就引入了第一代移动通信系统，也就是模拟“大哥大”的时代，由于成本昂贵、话费高，只为极少数人拥有。随后，越来越多的移动通信需求也引领了国内移动通信网络的更新换代。
第二代GSM数字移动通信系统（2G）让普通人也拥有了手机，但主要功能就是打电话、发短信。
第三代移动通信（3G）以多媒体通信为特征，其高速率更方便用户通过手机接入互联网，手机屏幕也越来越大，各种移动互联网应用大大方便了人们的日常生活。
而当3G网络不能再满足人们的数据业务需求时，目前正在铺开的4G（即LTE）网络也就孕育而生。4G与3G相比，可以提供更高传输速率和更短时延来支持视频业务、网络游戏等，其通信速率大大提高，标志着无线宽带时代的到来。
5G是什么
从1G到4G，大家直观的感受是通信速率的提升，那么顺着这个思路继续做一个判断，5G也只是速率的提升吗？
作为5G最官方的国际组织，国际电信联盟（ITU）早在2015年就明确了5G的意愿。首先5G包括了三个方面的应用场景：一是增强型移动宽带（eMBB），二是大规模机器通信（mMTC），三是高可靠低时延通信（URLLC）。
相比之前的四代移动通信系统，国际电信联盟首次在目标中明确了5G对机器通信及工业控制的支持。其次国际电信联盟定义了5G的能力指标，体现为一系列指标的组合。可以看到，5G和4G相比，不再单纯是峰值传输速率的提升，而是综合考虑8个技术指标：峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接密度、网络能量效率和流量密度。这8个技术指标并不是同时都需要支持，而是分别适用于不同的应用场景。
具体来说，网络需要支持连续广覆盖和热点高容量，并对每个用户保证提供100兆的用户体验速率。针对增强型移动宽带场景，网络需要支持高达20吉的下行峰值速率。可以想象，现在用有线宽带都要下载数小时的蓝光电影，未来5G网络可以用短短几分钟甚至数十秒就下载完成。
同时，考虑到未来高铁的速度不仅仅停留在350千米每时，5G还需要提供支持高达500千米每时的移动速度。可以在快速运动的同时享受增强现实（AR）和虚拟现实（VR）等需要大带宽的超高清业务。
对于高可靠低时延通信场景，5G可以提供低至1毫秒的端到端时延，是目前LTE时延指标的1/10。同时通信的可靠性要求为误码率小于十万分之一。这么苛刻的技术指标主要为了满足车联网和工业控制等行业应用，这类应用需要时延和可靠性具有极高的指标要求。
对于大规模机器通信场景，主要需能满足每平方千米100万连接密度的指标要求。同时还要保证终端的低成本和低功耗，因此这种技术可以面向智慧城市、环境监测等物联网的应用场景。
畅想5G时代
前面介绍了5G的优势和目前的发展情况，但即将到来的5G究竟能我们的生活带来什么样的变化。有一句话非常贴切：4G改变生活，5G改变社会。
5G不仅仅关注了人们对网络互联的需求，还推动了各种感知设备以及车辆等的万物互联。
在5G部署初期，增强型移动宽带将是5G网络的核心应用场景。5G首先会聚焦个人消费领域，提供诸如4K/8K超高清视频、AR和VR等应用，实现无处不在的高清体验。
随着5G的网络升级，将逐步支持大规模机器通信和高可靠低时延通信的能力，5G网络将更关注垂直行业应用。这些行业涉及生产生活的各个方面，如工业、农业、交通运输、医疗和公共安全等，实现更为广泛的万物互联。
大规模机器通信的应用场景包括：智慧城市应用中的各类公共设施监控、智慧家居、智能路灯、消防和门锁等安全应用；智慧农业的环境和温、湿度监控、自动喷灌系统；工业领域中各种设备监控、智能制造、物资存储和物流标签等。
这些应用呈现出一些基本特征，即数量巨大但数据量较小、覆盖面广且需要低功耗来满足电池供电下较长的工作时间。3G/4G网络由于主要考虑人联网的需求进行设计，并不十分贴合这些物联网应用的功耗和大容量需求。
至于高可靠低时延通信场景，这里借助车联网来说明5G对业务能力的影响。在这一领域，基于4G的标准已经定义完成，主要支持三方面的应用，包括信息娱乐服务、交通效率提升以及安全应用。但由于4G技术支持的数据量较小且时延较大，只能支持最基本的安全应用，如前方车辆提醒、事故或危险路段提醒等。对于真正意义上的自动驾驶，由于车辆间要频繁快速地交互车辆行驶状态，如车速、方向和制动等信息，需要3毫秒以下的时延来支持这些数据的传输。同时，对摄像头等大带宽传感器的数据传输，又需要更大的传输通道。这在目前的4G网络环境下是无法实现的。
同样可以看到，工业控制、远程手术等需要精准的实时控制的领域，都需要依靠5G的技术特性才能实现。
因此随着5G技术对三大场景的全面支持，大大扩展了原来移动通信网络覆盖的业务范围，5G将改变社会中诸多行业的运行方式，让社会更智能、更高效，让生活更为便捷美好。让我们期待这个5G新时代的到来吧。
5G是WiFi的终结者吗
也许有人会问，5G这么完美，那其他通信手段如WiFi还会存在吗？
首先需要明确的是，5G是授权频段技术，而WiFi工作在非授权频段，因此WiFi无须巨额的频谱使用费。WiFi的设计理念就是简单、通用，但由于非授权频段存在大量干扰，因此WiFi仅提供尽力而为的业务。
WiFi的灵活和低成本让它仍然是5G阶段室内重要的接入手段之一，第三代合作伙伴计划（3GPP）也在讨论5G和WiFi的融合。最终可实现当用户从室外来到室内，可以平滑无感知的从5G网络切换到WiFi网络。
原文来自《科学画报》
注：所有文章均由中国数字科技馆合作单位或个人授权发布，转载请注明出处。
