编者按
自从6月6日我国工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照以来，意味着我国正式进入5G商用时代。为深入了解5G技术的机遇与挑战，本期起将从5G技术难点、中国5G研发实力、5G基站建设等方面系列介绍。
从第一代模拟通信发展到现在第四代超高速数据通信，整个移动通信网络架构经过四次迭代已经演变的非常复杂。和4G相比，5G的提升是全方位的，按照3GPP(Third Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)的定义，
5G既包括大规模天线、超密集组网、新型多址技术、全频谱接入及新型网络架构等关键应用技术，也包括新型信息中心网络、软件定义网络、虚拟化、云存储等基础支撑技术。
我国要顺利实现5G技术的商用和普及还必须直面其技术难点。
高通行业领导者，英特尔、三星、联发科等国际厂商紧追不舍。
高通公司早在2016年就在4G/5G峰会上发布业界首款5G调制解调器骁龙X50，并2017年基于面向移动终端的骁龙X50芯片组成功实现全球首个正式发布5G数据连接；2019年2月，高通宣布发布第二代5G调制解调器骁龙X55。2018年，英特尔推出了首个支持5G NR的多模商用调制解调器家族——XMM8000系列，由于市场因素，近期英特尔已表示将放弃5G基带芯片业务。此外，2018年三星、联发科等厂商也分别发布了其5G芯片。
中国大陆华为、展锐等企业异军突起，相继推出了5G芯片
。2019年1月份，华为发布了巴龙5000基带，号称是世界第一款单芯多模5G基带，7nm工艺，不仅支持5G SA独立及NSA非独立组网，还支持4G、3G、2G网络，是目前最强的5G基带。同月，展锐也发布了其首款5G基带芯片—春藤510，产品采用台积电12nm制程工艺，支持多项5G关键技术，可实现2G/3G/4G/5G多种通讯模式。
但是华为和展锐的芯片都与高通第二代5G调制解调器骁龙X55差距明显
。从深层次来看，国内外芯片方面的主要差距表现在：
一是关键核心技术缺失。
国外射频芯片和器件技术已经非常成熟，尤其是面向高频应用的BAW和FBAR 滤波器，我国BAW和FBAR专利储备十分薄弱，自主研发面临诸多壁垒。
二是缺乏成熟的商用工艺支撑，整体落后世界领先水平两代以上。
砷化镓、氮化镓等化合物半导体代工市场主要集中在我国台湾地区；锗硅和绝缘硅材料工艺方面主要被格罗方德、TowerJazz等大厂掌控。
三是产业链上下游协同性不够。
当前我国面向5G，国内芯片缺乏与软件、整机设备、系统应用、测试仪器仪表等产业生态环节的紧密互动。
大规模天线技术（Massive MIMO ）是在接收端及发送端使用多个天线进行接收和发送，大规模的增加天线数量，在不增加频谱资源或总功率耗损的条件下提高信道容量、吞吐量及传送距离，从而改善通信质量。
大规模 MIMO中基站天线的数量阵列没有空间时域限制，并且上行导频采用的是时分双工进行的信度估计，将大大提升频效。但是却存在基带运算的复杂度、处理时间和成本问题，信道测量性能和信道状态信息反馈的导频开销问题，以及相位噪声与校正问题等难点。
图2 Massive MIMO实现用户空间分集示意 （中国信息产业网）
5G需要在复杂应用场景中提供几百Mbit/s甚至几个Gbit/s的通信能力，需要
高、中、低频协同工作，频段高意味着波长小、相应的天线尺寸小，偏向于采用多天线。
高频关键器件的特性和成熟度对系统设计也带来一些新挑战。我国5G试验已经规划了26GHz和39GHz作为高频试验频段，但是此前高频段较少应用于民用通信领域，所以相关产业链配套环节并不十分成熟，其中最突出的问题就是
高频器件较为薄弱，研制大带宽、低噪声、高效率、高可靠性、多功能和低成本的高频器件，仍是产业化的瓶颈。
国际上，三星公司在毫米波高频及高频器件方面走在了前列，早在2016年三星和我国双方共同完成5G毫米波的关键技术测试。
D2D （Device to Device,设备与设备）通信技术是 5G 移动通信无线传输关键技术之一，
其基本特征是在距离较近的用户终端间建立直接通信的链路，其数据传输无需基站中转，实现终端间各种形式的直接通信。
采用直接通信方式的D2D通信技术可以大幅提升用户间数据传输速率、提高系统容量、减小系统开销、增强通信可靠性。
从使用频段看，当前D2D 通信的研究
主要集中在6GHz 以下的低频频段
，可利用的频谱资源相对稀缺，实现的无线传输峰值速率相对较低，无法满足5G 移动通信大量基于视频分发的业务应用；从干扰形成机理来看，现有D2D 通信技术往往采取复用蜂窝用户时频资源的传输模式，工作在6GHz 以下频段时会产生较为严重同频干扰。
近年来，国际和国内一些研究者开始探索利用毫米波高信道损耗特性以及高度指向性，在毫米波频段发展D2D 通信，力图在大幅度提高D2D 用户间峰值传输速率的同时有效抑制同频干扰。因此加大在6GHz 以上毫米波高频段研究，特别是在毫米波频段的D2D 通信新理论与新方法，以满足未来5G 移动通信的严苛指标。
5G网络安全涉及面广，安全问题极其重要。一是5G 网络和业务运维的安全问题。
5G 采用的是通用硬件台带来低可靠性问题，与5G 服务工业互联网、车联网等的高可靠性相互冲突，需进一步研究如何提高在通用硬件平台上实现电信协议的可靠性。
二是接入设备的双重身份引发的安全问题。
未来移动接入设备( 例如智能手机) 可以临时升级成为小基站，以扩大网络的覆盖面积。但是这样的设备角色切换，在安全层级上使得智能手机具有更高权限，而其他接入设备则需要通过该智能手机传递信息，由此可能引发信息泄露以及安全管理问题。
三是超高密度用户接入引发的安全问题。
5G 网络提供对与海量用户访问的支持，但是由于网络中海量用户的接入需求，服务器端可能也会接收到来自于海量用户的安全认证需求，这将可能面临针对海量用户加密方法、加密服务器性能以及新的感知网络、人工智能病毒攻击带来的安全问题。
5G 网络是由大型服务器组成的云计算平台，
主要通过具有数据减缓功能的路由器和交换机网络来连接基站，采用宏基站能够实现云存储功能，通过云计算处理时效性强的数据、处理多样化的业务、产生功能多样化的连接方式，全面实现信息通信技术的智能化。但是，云计算的服务器、存储系统、云终端及虚拟化软件、中间件、云调度、软件定义网络等关键技术和设备的生产被国外企业掌控。在云服务方面，亚马逊占领全球一半以上的市场份额；
在海量存储方面，国内市场一直被EMC、三星、SK海力士、美光、东芝等国际存储器巨头所垄断，国内存储器的发展一直比较缓慢。
一是现有的干扰协调算法已不再适用。
在 5G 移动通信网络中，干扰是一个必须解决的问题。现有通信系统的干扰协调算法只能解决单个干扰源问题，而在 5G 网络中，相邻节点的传输损耗一般差别不大，这将导致多个干扰源强度相近，进一步恶化网络性能，使得现有协调算法难以应对。
二是为了满足移动性需求，需要新的切换算法。
在超密集网络中，密集地部署及形状的不规则，导致频繁复杂的切换。新的切换算法和网络动态部署技术成为研究重点，除了通信算法的传统技术路径以外，神经网络等算法逐渐被人们所重视。
频谱是通信技术行业最为“稀缺”的资源。
5G 网络所需的频谱资源远高于2G、3G、4G所使用的频谱数量之和。之前通信频率都聚焦在3 GHz以内的低频率，因为低频率的覆盖和穿透性能好。但低频段的可用频谱资源非常有限，从2G到4G，业界不断通过技术创新来提高低频段的频谱效率。到了5G时代，由于对峰值速率和小区容量的极致追求，仅仅通过提高频谱效率已经无法满足5G的需求。因此，
5G网络建设的关键思路就是高低频协调发展
，即在低频的基础上，额外使用更高的频段和更大的带宽来满足下一代宽带移动通信的要求。
在频谱资源方面，我国虽然已经为5G预留了一定的频谱资源，但仍然不够丰富、优质。如果我国提出的频谱方案不能被国际上广泛认同，就意味着我国必须被动地去接受别人的频谱方案，需要重新去做另外频段的产品开发，从而不得不面临国内协调的诸多困难，可能导致我国5G产业发展滞后。因此
我国应想方设法加大5G网络部署，力争我国频谱方案成为国际标准。
