目前隨著5G網路原本預計的2020年商用時間越來越接近，5G標準一直在緊張而有序地進行定製當中。

5G有什麼關鍵無線技術？

在無線核心技術領域，大規模天線陣列、超密集組網、新型多址和全頻譜接入這四個技術是最為熱門的關鍵技術。那麼下面我們將會按照發展過程以及必要的技術進行講解。

5G關鍵技術

按照5G規劃的使用者體驗速率會高達0.1-1Gbps。如果把資料比喻成一輛輛車，頻寬就好比是道路寬度，最大速率是道路的最大車流量。顯然易見，增加車道數是提高最大車流量最直接有效的方法。同樣的，提高速率的最簡單粗暴的方法就是增加頻寬。

道路擁堵解決方案　

3.5GHz頻段

應用高頻寬的核心方法就是採用更高的頻段，同時從已經分配好的頻譜資源來看，2.5GHz以下的頻譜資源已經幾乎被利用完。

中國無線電頻譜分配

因此目前最被看好的5G頻段是3.5GHz，也是國際上的熱點頻段。歐洲、美國、日本也都在進行3.5GHz頻段的技術試驗，目前中國剛確認了3.3-3.6GHz以及4.8-5.0GHz兩個5G黃金頻段的主導地位，意味著這個頻段的5G網路將會成為全球通用頻段，一臺手機走遍天下也不怕。

各國3.5GHz頻道應用

毫米波

高頻寬必須依託著高頻段，那麼5G就很可能會使用超高頻段。根據物理公式c=λf，30GHz以上的頻段，其波長縮短至毫米級別，稱為毫米波。能提供Gbps級別傳輸速率，完全滿足5G的指標需求。

波長與頻率關係

微基站

日常生活中，如果我們進入一些大廈陰暗角落或者是密集多層結構的建築裡面，我們的手機往往沒有4G訊號，只剩下2G網路。這是因為對於電磁波頻率越高，繞射能力越弱，2G頻段在0.9GHz，4G頻段都在1.7GHz以上，而5G使用的頻率會更高，繞射能力直線下降，訊號只能直射而且傳播距離十分有限，將傳統上使用的大型宏基站改用站點更多、密度更大的微基站，是解決毫米波直線傳播、傳播距離有限的終極方案。

高頻段繞射解決方案

大規模陣列天線

電磁波波長縮短到毫米波，也對天線尺寸造成影響。據天線設計理論：線尺寸為波長的1/10~1/4之間，其天線增益和輻射效率達到最大。使用毫米波後，天線尺寸也變為毫米級，可以在以前相同面積裝置內佈置更多的天線。通訊基站可以採用大規模陣列天線，極大地提升了頻率效率、使用者體驗、傳輸可靠性。

目前我們已經在蘋果的iPhone X上看到了率先實驗了LCP新型材料的天線，可以很好使用未來5G網路對於天線的設計要求。

瑞典隆德大學開發的128陣列天線實驗機

高階MIMO

引入陣列天線後，又給高階MIMO技術的實現帶來了新的可能。應用MIMO技術可以進行一對多的並行通訊，每一對天線都獨立傳送一路資訊，這樣就可以成倍提高速率，同時同頻地提供服務從而大幅提升系統容量以及系統覆蓋範圍。

高階MIMO技術

波束賦形

利用通訊基站的陣列天線，透過對射頻訊號相位的進行控制，使得干涉以後的電磁波的波瓣變得非常狹窄，由燈泡模式變成有指向性的手電筒模式，並指向它所提供服務的手機，還能跟據手機的移動而轉變方向。在5G入網裝置數量成百上千倍增加的情況下，這種波束賦形技術所能帶來的容量增加就顯得非常有價值。

電磁波水平方法輻射圖

多載波聚合

將十分零散的載波訊號透過轉換組合成一個具有寬頻帶的新載波進行資料傳輸，配合上MIMO和波束賦形技術使用，有效提高頻譜效率和傳輸速率。在未來的5G中，聚合波段遠遠不止三個，速率前所未有。未來甚至會有多技術載波聚合方案，將3G、WIFI頻寬也集合進來，實現萬物互聯。

載波聚合示意圖

非正交多址技術

多址接入技術是指移動通訊系統中，使所有的使用者共享有限的無線資源，並實現不同使用者不同地點同時通訊並儘可能減少干擾的目的。為了進一步提升5G的頻譜效率和傳輸容量，提出了全新的非正交多址技術。其可以理解為OFDM的基礎上增加了一個功率域維度。新增功率域可以讓系統利用每個使用者不同的路徑損耗來實現多使用者複用，提高系統容量和魯棒性。

正交與非正交多址技術

以上就是關於無線技術上的一些關鍵技術。

而在網路技術領域上，基於軟體定義網路（SDN）和網路功能虛擬化（NFV）的新型網路架構已取得廣泛共識。

此外，基於濾波的正交頻分複用（F-OFDM）、濾波器組多載波（FBMC)、全雙工、靈活雙工、終端直通（D2D）、多元低密度奇偶檢驗（Q-ary LDPC）碼、網路編碼、極化碼等也被認為是5G重要的潛在無線關鍵技術。

儘管3GPP預計2020年初推出5G商用網路（這個時間有望提前），然而運營商、企業都在很積極的規劃5G，因為5G是一項通用技術。

就目前來說，實現5G網路的幾種關鍵技術包括：毫米波（Millimeter Waves），大規模MIMO（Massive MIMO），全雙工通訊技術（Full Duplex），波束成形（Beamforming）和小型蜂窩（Small Cells）。

毫米波（Millimeter Waves）

目前無線網路遇到一個問題：與過去相比，使用者和裝置越來越多，消耗的資料也更多，因此相同頻段變得擁擠，這將意味著，每個人分到的頻寬減少，服務速度降低，掉線機率增大。

現在，全新的頻譜訊號可以解決這個問題，與長期應用於手機的無線電波相比，毫米波的頻率更高。

為什麼這麼說呢？過去，移動裝置的頻帶低於6GHz，毫米波的頻率在300GHZ-30GHZ之間、波長為1毫米-10毫米不等，而現在智慧手機無線電波波長為幾十釐米。

毫米波過去只用於衛星和雷達系統，慢慢發展成為，一些蜂窩網路也已開始應用毫米波在兩個基站的固定點之間傳輸資料。（5G時代，藉助毫米波連線移動使用者與附近基站是一種全新方法。）

不過毫米波也有一個缺點——它們很難穿過建築物或障礙物，且容易被葉片和雨水吸收。這就是為什麼5G網路將使用一種稱為小蜂窩的新技術強化傳統的蜂窩塔。

小蜂窩（Small Cells）

小蜂窩這一行動式微型基站耗電極少，可在整個城市中每隔250米放置。為防止訊號削弱，運營商可在城市內安裝數千個類似站點，形成接力隊般密集的網路，接收來自其他基站的訊號，並向任意地點的使用者傳送資料。

儘管傳統的蜂窩網路開始依賴於越來越多的基站，但還需要更先進的基礎設施才能要達到5G效能。好在小蜂窩用於傳輸毫米波的天線比傳統天線更小。因尺寸變小，在燈柱和建築物上的安裝網路裝置就更容易。

這種完全不同的網路結構可以更有針對性、更高效地使用頻譜。如果有更多的基站，那麼一個基站用於連線區域中裝置的頻率可以被其他地區電臺重複使用，以此服務於其他客戶。可是建立5G網路所需的小蜂窩數量龐大，在農村地區難以實現。

除了毫米波，5G基站與現在蜂窩網路基站相比，還將增加天線數量以利用一項新技術——大規模MIMO。

大規模MIMO（massive MIMO）

作為5G的一個候選技術，大規模MIMO顧名思義就是透過在基站側採用大量天線來提升資料速率和鏈路可靠性。

當前4G基站處理蜂窩通訊的天線埠一共有12個：8個發射端和4個接收端。但5G基站則能夠支援約一百個埠，這意味著單個陣列可以安裝更多天線。這項技術使基站能同時傳送和接收更多使用者訊號，因此行動網路的容量增加了至少22倍。

這項技術稱為“大規模MIMO”。它源於MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出技術，是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使訊號透過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通訊質量），單個陣列可承載數十根天線，大規模MIMO將MIMO這一概念提升到了新高度。

一些4G基站已開始應用MIMO技術。但目前大規模MIMO只經過了實驗室測試和場地測試。早期測試中，其頻譜效率（每秒可向特定使用者傳輸的資料量）創造了新紀錄。

大規模MIMO能保障5G的發展。但安裝過多處理蜂窩通訊的天線反而造成更多幹擾。這也是為什麼5G基站必須應用波束成形技術的原因。

波束成形（Beamforming）

波束成形，是一種通用訊號處理技術，是蜂窩基站的一種流量信令系統，可為特定使用者指明最高效的資料傳輸路線，且能減少這一過程中附近使用者的干擾。在不同情況和技術下，5G網路有很多方法可以實現這項技術。

波束成形能使大規模MIMO更高效地利用周圍頻譜。大規模MIMO當前面臨的主要問題是如何減少從更多天線同時發射更多資訊時的干擾。大規模MIMO基站中，訊號處理演算法會為每個使用者策劃最佳空中傳輸路徑，並朝不同方向、以不受建築物及其他物體干擾的精確模式傳送資料包。透過設定資料包動向及抵達時間，波束成形使大規模MIMO矩陣下的許多使用者和天線同時交換更多資訊。

波束成形還可解決毫米波領域的若干難題：蜂窩訊號容易被障礙物阻擋，且強度隨距離增加而減弱。這種情況下，波束成形能將訊號集中於朝向特定使用者的密集波束，而非向各個方向發射訊號。這種方法增加了訊號完整傳達的可能性，且減少了對他人的干擾。

無線工程師不僅透過毫米波和借用大規模MIMO增加頻譜效率提升資料傳輸速率，還嘗試利用全雙工通訊技術，調整天線收發資料的方式以實現5G網路要求的高吞吐量（ 指對網路、裝置、埠、虛電路或其他設施成功地傳送資料的數量）和低延遲。

全雙工通訊技術（Full Duplex）

當前，基站和手機只能依賴收發器依次收發同一頻率資訊；若使用者要求同時收發資訊，則需按照不同頻率分別操作。

藉助5G技術，收發器將能夠同時同頻收發資料。這項技術被稱作“全雙工”，它將無線網路最基本物理層的容量增加了一倍，可以同時（瞬時）進行訊號的雙向傳輸（A→B且B→A）：想象兩個人在交談的同時還能彼此理解——這意味著交談時間節省了一半，下一場交談能更快開始。

軍隊已開始應用依靠全雙工技術的大型裝置，個人電子裝置預使用該技術，研究人員還需設計出一種能規劃訊號出入路線的電路，以防止一根天線同時收發資料時發生衝突。

無線電波在同一頻率下雙向傳輸的規律（即相互作用原則）大大增加了這一設想的實現難度。但最近專家成功組裝了能夠阻止電波逆向傳導的矽電晶體，它的作用與高速開關類似，能夠使電波同時收發同頻訊號。

全雙工技術也有缺點，電回波（Echo）會產生更多訊號干擾。發射端發出的訊號越靠近裝置天線，訊號強度就越大。只有特殊的電回波消除技術才能使天線在傳輸過程中不受干擾。