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5G（5 th generation mobile communication technology，第五代移动通信技术；第一至第四代移动通信技术分别缩写为1G、2G、3G、4G。）是近年来在全球媒体中出现频度最高的科技热词之一。从通信技术本身及由此可能引发的行业变革来看，5G承载了人们极大的期望，所以备受瞩目。2010年前后，智能终端、移动支付、网络直播、共享单车等4G应用的出现在很大程度上改变了人们的生活方式。以前出门需要带齐钥匙、钱包、手机等物件，现在只需带一部手机就可以“走遍天下”。当前正是互联网发展新旧动能的接续期，在消费互联网需要深化、工业互联网需要起步的时候，5G的出现正当其时，它将深刻改变我们所处的社会。
5G带来了新的发展机遇。相比4G及以前“以人为本”的通信，5G的核心特点是“万物互联”，这意味着未来大家身边的多数物品都要连接到网络。因此，智能感应、大数据、云计算和人工智能的优势将得到充分发挥，新的业务模式、商业模式、服务模式将会创造出巨大的机会，成为拉动经济增长的重要力量。
5G也将引发新一轮的全球科技竞争。目前，各国政府都高度重视新一轮的科技革命，世界大国都在积极争夺5G的全球领导权，让5G呈现出鲜明的竞争特征。5G是诸多行业升级换代的引擎，更是人工智能发展的重要支撑技术之一。
人类文明的进化史本质上是一部记录信息和传递文化的历史，也是一部人类不断提升信息传播容量、速度及广度的历史。在古代，人们通过口口相传、烽火狼烟（或是发展为经由驿站传递书信）、印刷书籍等方式来传递和传播信息，效率都很低，而且存在时间和空间的局限性。直到无线电的出现，改变了人类信息传播历史。
如果用道路交通来比喻移动通信技术的发展历程，那么从1G到4G就如同从蜿蜒曲折的乡村小道发展到平坦宽阔的高速公路。5G的出现，不仅仅是将道路变得更宽那么简单，更像是将高速的海陆空交通一体化，甚至将星际航线融合其中。
从1G到4G，通信服务的演变趋势是怎样的呢？图1-8展示了前四代通信的演进与技术特点的横向对比。
● 图1-8 1G到4G通信的演进与技术特点
不难看出，1G到4G均着眼于如何使人与人之间的通信更方便快捷，而5G则从移动互联网延伸到移动物联网领域，服务对象更是扩展到人与物、物与物的通信。和4G相比，5G峰值速率提高20倍，用户体验速率提高10倍，频谱效率提高3倍，无线接口延时减少90%，连接密度提高10倍，能效和流量密度均提高100倍，能够支持移动互联网和产业互联网的诸多应用。5G成为名副其实的万物互联的支撑技术。
在5G网络中，数据传输速度非常快。这样的带宽和网速能确保从可穿戴设备、智能家居，到智慧城市的基础设施在内的大量物联网设备的可靠接入。在理想环境下，5G端到端的时延为1ms，大多数场景下的时延为5~10ms，这一特点让远程手术、无人驾驶成为可能，玩家在体验VR（虚拟现实）时不会头晕。因此，5G使得万物互联成为可能，任何一样东西未来都有可能接入物联网，成为移动终端。下面我们来介绍让5G具有强大“魔力”的几个关键“法宝”。
（1）毫米波技术。
电磁波的功能由其频率和波长决定，波长越短，频率越高，信号带宽越大。毫米波是指波长在1~10mm之间的电磁波，对应工作频段约为30~300GHz。4G的工作频段在2GHz上下，频谱带宽仅为100MHz左右，采用毫米波频段可以轻松提升10倍以上的频谱带宽，此时仅需几秒钟就能下载一部高清电影 ［2］ 。毫米波带来了大带宽和高速率，同时其较高的工作频段在雨雾等恶劣天气仍能提供稳定、可靠的传输信道。虽然毫米波在空气中的衰减较大，但5G的密集微基站布局方案可以解决这一问题。
（2）微基站。
到了5G时代，虽然毫米波可以提供海量的传输信息，但极易受到环境的影响，覆盖范围有限，因此5G基站的部署将更加密集。出于成本和实际环境的考虑，微基站是不错的选择，微基站密集布点组成一个“接力队”，毫米波便可以避开阻挡它们的物体，保持网络的正常连通。广州的花城广场作为试点，将微基站直接挂在路灯上就实现了网络覆盖。
成千上万的微基站产生的辐射会不会对人体造成伤害呢？从无线电技术角度看，5G宏基站的无线电发射功率谱密度约为2W/MHz，要比3G/4G基站更小。另外，5G所使用的频段更高，衰减更快，所以在同等距离下，5G基站的辐射值并不一定比4G基站高。同时，密布的微基站传输距离大大缩短，手机对人体的辐射也大幅度降低。因此，无须担心5G基站的辐射问题。
（3）大容量多入多出（Massive MIMO）技术。
还记得“大哥大”长什么样子吗？它除了大，还有很长的外露天线。为什么后来的智能机看不到天线了呢？其实，天线还在，只是越来越小了。根据天线特性，天线长度应与波长成正比，大约为波长的1/2。5G的关键技术之一就是采用大规模天线阵列技术，如大容量多入多出技术，即多根天线发送，多根天线接收 ［3］ ，如图1-9所示。
● 图1-9 基于Massive MIMO技术的天线阵列示意图
5G时代的手机和基站都要放更多天线进去，比如，微基站虽然小，但部署的天线数量是现有基站的10倍。5G手机更是在内部各个方向植入天线，便于全方位接收信号。这么多的天线如何减少干扰？这需要用到波束成形技术，对射频信号相位进行控制，使得电磁波形成一个定向的光束传输式数据流，还能根据手机的移动转变方向，这样信号覆盖也转变为精准指向，既能满足通信需求，又能降低能量消耗。
（4）设备到设备（D2D）通信技术。
5G以前，移动通信都是基于网络（基站）的设备通信。到了5G时代，随着车联网、自动驾驶、可穿戴设备等物联网应用的大量兴起，设备间的通信方式将发生巨大变化。于是，D2D通信技术开始崭露头角。在D2D通信网络中，用户同时扮演“服务器”和“客户端”的角色，用户间能够意识到彼此的存在，根据实际需求自发地构成一个虚拟或者实际的“群体”进行数据传输，避免了蜂窝通信中用户数据必须经过网络中转的传输过程 ［4］ ，如图1-10所示。车联网是D2D通信的典型应用场景之一。在高速行驶时如果发生危险，可通过D2D通信发出警报，那么周围车辆收到报警时可及时提醒驾驶员，甚至在紧急情况下自主操控汽车，降低交通事故的发生率。
● 图1-10 传统基站中继通信与D2D通信的比较
5G不仅为我们带来“高速率、广连接、低时延”的网络体验，还将为高清直播、虚拟现实、远程医疗、无人驾驶、人工智能等应用提供技术支撑。利用5G移动通信网络，可以真正实现新型行业应用场景的部署，如车联网、物联网和大数据中心，同时也可以在智慧医疗、智慧城市、智能家居、智能制造、智慧教育、智慧媒体等新兴领域中得到充分应用和发展。5G和实体经济的深度融合，也将成为支撑传统产业转型、助力新兴产业打造核心竞争力的支点。
5G时代是信息数字化的时代，改变的不仅仅是人们的生活，还包括整个人类社会。在5G时代，传统的工业强国不一定会继续强大，但新兴的国家将会有更多的发展机遇。不难想象，随着5G商用的普及，人们的生活将会如同科幻片所呈现的那样，处处体现着智能和便捷。
教授、博士生导师、IEEE Fellow。曾任香港城市大学讲座教授、协理副校长，曾担任IEEE MTT-S行政委员会委员、IEEE三个顶级学术期刊副主编，两次获邀担任国际知名大奖“京都奖”提名人。现任华南理工大学微电子学院院长，广东省毫米波与太赫兹重点实验室主任。曾获国家技术发明二等奖、广东省科学技术奖自然科学奖一等奖、IEEE天线与电波传播学会H. A. Wheeler论文大奖（为中国团队首次获得）等荣誉。
华南理工大学电子与信息学院教授、博士生导师，IEEE Fellow，国家杰出青年科学基金获得者，曾任南京理工大学钱学森学院常务副院长。曾获德国“洪堡学者”、第五届“中国青年女科学家奖”、德国慕尼黑工业大学首届“TUM Ambassador”奖、省部级科学技术二等奖、国家级教学成果二等奖等荣誉。现担任广东省毫米波与太赫兹重点实验室副主任、IEEE MTT-S行政委员会委员、Wiley旗下《微波与光波技术快报》（ Microwave and Optical Technology Letters ）主编。
华南理工大学电子与信息学院助理研究员，中南大学博士，广东省毫米波与太赫兹重点实验室成员。主要研究方向为无线通信及其相关领域，包括认知通信、携能通信、信息安全、系统优化等。