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不知道5G?不知道5G優(yōu)勢?看這里!

發(fā)布時間:2017-02-15 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】5G是第五代移動通信技術(shù),4G到5G時代,單位比特的傳輸成本降低了1000倍,那么我們也希望電信設(shè)備價格也降低1000倍,成本是決定運營商在數(shù)據(jù)時代能否盈利的關(guān)鍵。
 
在3G、4G和5G等名詞中,G是英文單詞“generaTIon”(第x代)的縮寫。因此,5G就是第五代移動通信技術(shù)。
 
一、5G的發(fā)展歷程關(guān)鍵點
 
在移動通信領(lǐng)域:
 
第一代是模擬技術(shù);
 
第二代實現(xiàn)了數(shù)字化語音通信;
 
第三代是人們熟知的3g技術(shù),以多媒體通信為特征;
 
第四代是正在鋪開的4g技術(shù),其通信速率大大提高,標志著進入無線寬帶時代。
一、5G的發(fā)展歷程關(guān)鍵點
簡單來看,5G的速度將會更快,而功耗將低于4G,從而帶來一系列新的無線產(chǎn)品。中移動副總裁李正茂曾經(jīng)發(fā)言要求5G時代的電信設(shè)備大幅度降價:“4G到5G時代,單位比特的傳輸成本降低了1000倍,那么我們也希望電信設(shè)備價格也降低1000倍,成本是決定運營商在數(shù)據(jù)時代能否盈利的關(guān)鍵。”
 
1、5G其實并不是全新科技
 
關(guān)于5G的兩種不同觀點
 
有一種觀點認為,5G將會是全新技術(shù)。這個觀點的代表者為華為無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品線CMO楊超斌,在他看來,4G再怎么演變也不會變成5G,5G將會是一個全新技術(shù)。
 
5G不只是一次技術(shù)的更新,更是非常大的跳躍性發(fā)展、是一個變革,這也意味著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須提升,5G對網(wǎng)路的需求將與4G截然不同;雖然現(xiàn)在使用的4G LTE技術(shù)仍會不斷演進,但4G再怎么演變也不會成為5G,5G將會是全新技術(shù)。
 
但大多數(shù)技術(shù)專家更傾向于以下觀點:5G就是4G技術(shù)的必然演進——既要演進也要革命。
 
雖 然任何一代技術(shù)發(fā)展,都不可能是上一代技術(shù)的重復(fù),如果新一代的技術(shù)和上一代技術(shù)是一樣,那還什么新一代,所以3G技術(shù)不同于2G,4G不同于3G,它的 技術(shù)原理、解決問題的方式、部署的辦法,實現(xiàn)的能力都不同,但是沒有上一代技術(shù)的根基,或者說下一代沒有對上一代的技術(shù)傳承,實現(xiàn)革命性的升級也是空中樓閣。
5G
5G不是橫空出世個令人驚異的新技術(shù),5G技術(shù)是現(xiàn)有技術(shù)的新組合,是4G技術(shù)的再演進。
 
為什么要強調(diào)“再”?因為4G LTE的后三個字母就是長期演進的意思,5G應(yīng)是在4G基礎(chǔ)上的再演進。關(guān)于技術(shù)演進的觀點,科學(xué)松鼠會會員通信專業(yè)教師奧卡姆剃刀有個通俗的雙駝峰理論,能很清晰解釋5G僅僅是一種技術(shù)演進的觀點。
 
奧卡姆剃刀的雙駝峰理論
 
奧卡姆剃刀認為,一項新技術(shù)概念出現(xiàn)后,在業(yè)界會出現(xiàn)一個研究討論的高潮,這是第一個駝峰。
 
相關(guān)的學(xué)術(shù)論文會產(chǎn)為熱點,成堆的博士碩士依托這項新技術(shù)完成了畢業(yè)論文,雖然很熱鬧,但這僅僅局限在學(xué)術(shù)研討層面上,而在具體的技術(shù)實現(xiàn)方面還存在著很多問題,或者因成本原因而根本無法量產(chǎn)。
 
研究討論高潮逐漸降溫,這是第一個駝峰的下落期,接下來是低調(diào)務(wù)實的技術(shù)攻關(guān),這個平臺期可能幾年也可能一二十年,當技術(shù)問題都解決后,就會迎來商家量產(chǎn)和投入市場的熱潮,這就是第二個駝峰。
 
按照國際電信聯(lián)盟關(guān)于2020年的規(guī)劃,5年后就要全面進入5G了,而到現(xiàn)在核心技術(shù)體系還沒有確立?;仡?G技術(shù)發(fā)展史,國際電信聯(lián)盟于1998年6月30日接收了3G技術(shù)提案,并迎來了第一個駝峰期,直到2009年1月7日,工業(yè)和信息化部正式發(fā)放了三張3G牌照,這才進入到第二個駝峰, 平臺期持續(xù)了11年,特別是三張牌照之一的TD-SCDMA,直到2013年才真正成熟,平臺期長達15年,可剛成熟4G時代就來臨了。按照“雙駝峰規(guī) 律”,5年后將在全球推廣使用的技術(shù),應(yīng)在2010年左右就迎來第一個駝峰,而不會在2020前的兩三年橫空出世,然后迅速被國際電信聯(lián)盟確定為全球的 5G標準,這違反了一般的技術(shù)發(fā)展規(guī)律,不太可能成真。
 
2、沒有3G、4G技術(shù)的發(fā)展就沒有5G
 
實質(zhì)上,在5G研究上大部分研發(fā)機構(gòu)選擇的道路也是如此,兩條腿走路。
 
5G研發(fā)中提出兩條腿走路:一方面繼續(xù)推動基于4G技術(shù)的演進,一方面研發(fā)5G新技術(shù),兩者兼顧。
 
在 5G時代的千倍提速要求面前,通過4G技術(shù)的演進,只有通過大幅度的加大帶寬才有可能。加大帶寬是起點,由此而產(chǎn)生的毫米波、微基站、高階MIMO、波束 賦型等都是順理成章的技術(shù)趨勢。5G時代對大規(guī)模天線陣列、毫米波技術(shù)、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、新型空口設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)核心也大都是基于4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)延伸而來,大 都能成倍提升性能。以軟空口技術(shù)為例,這個技術(shù)結(jié)合Pre5G的硬件處理能力,讓運營商具有了從4G到5G的平滑升級能力,4G到Pre5G這個階段,終 端不用更換,而從Pre5G到5G,基站設(shè)備也可以繼續(xù)使用。
毫米波技術(shù)下的微基站
圖:毫米波技術(shù)下的微基站
 
明白了5G就是第五代移動通信技術(shù)的基本定義就明白是從3G、4G升級而來,自然也是一種技術(shù)的積累和演進,也可以說沒有3G、4G技術(shù)的發(fā)展就沒有5G的產(chǎn)生。5G技術(shù)的演進一方面是技術(shù)積累的必然結(jié)果,當然也要求有革命性創(chuàng)新才能實現(xiàn)演進的目標,另一方面也是人類通信需求快速提高的必然要求。
 
反過來說,之前5G遲遲沒普及,一是技術(shù)達不到,二是還沒有應(yīng)用的需求出現(xiàn)?,F(xiàn)在有了需求,才有了5G。什么需求?未來的網(wǎng)絡(luò)將會面對:1000倍的數(shù)據(jù)容量增長,10到100倍的無線設(shè)備連接,10到100倍的用戶速率需求,10倍長的電池續(xù)航時間需求等等。坦白地講,可能未來五六年4G網(wǎng)絡(luò)或許將無法滿足這些需求,所以5G就必須提前登場。
毫米波技術(shù)下的微基站
基于技術(shù)演進的判斷,回顧我國通過3G和4G時代的艱苦奮斗,我們有理由相信我國的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的提升也為5G布局打下堅實的基礎(chǔ),我國從以往被動接受技術(shù)變?yōu)殚_始輸出技術(shù),會有機會發(fā)展成為全球5G技術(shù)、標準、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用服務(wù)的領(lǐng)先國家之一,從跟隨到引領(lǐng),中國通信業(yè)有機會在5G時代學(xué)習(xí)中國高鐵實現(xiàn)彎道超車。三大運營商、華為、大唐、中興等中國企業(yè)對5G研發(fā)的投入由來已久,并走在世界前列。
 
二、5G到底有哪些優(yōu)勢?
 
對于數(shù)消費者而言,5G的價值在于它擁有比4g LTE更快的速度(峰值速率可達幾十Gbps),例如你可以在一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影,而4G LTE可能要10分鐘。也正是因為這一得天獨厚的優(yōu)勢,業(yè)界普遍認為5G將在無人駕駛汽車、VR以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
 
和4G相比,5G的提升是全方位的,按照3GPP的定義,5G具備高性能、低延遲與高容量特性,而這些優(yōu)點主要體現(xiàn)在毫米波、小基站、Massive MIMO、全雙工以及波束成形這五大技術(shù)上。
 
1.毫米波
 
眾所周知,隨著連接到無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量的增加,頻譜資源稀缺的問題日漸突出。至少就現(xiàn)在而言,我們還只能在極其狹窄的頻譜上共享有限的帶寬,這極大的影響了用戶的體驗。
 
那么5G提供的幾十個Gbps峰值速度如何實現(xiàn)呢?
 
眾所周知,無線傳輸增加傳輸速率一般有兩種方法,一是增加頻譜利用率,二是增加頻譜帶寬。5G使用毫米波(26.5-300GHz)就是通過第二種方法 來提升速率,以28GHz頻段為例,其可用頻譜帶寬達到了1GHz,而60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則為2GHz。
 
在移動通信的歷史上,這是首次開啟新的頻帶資源。在此之前,毫米波只在衛(wèi)星和雷達系統(tǒng)上被應(yīng)用,但現(xiàn)在已經(jīng)有運營商開始使用毫米波在基站之間做測試。
 
當然,毫米波最大的缺點就是穿透力差、衰減大,因此要讓毫米波頻段下的5G通信在高樓林立的環(huán)境下傳輸并不容易,而小基站將解決這一問題。
 
2.小基站
 
上文提到毫米波的穿透力差并且在空氣中的衰減很大,但因為毫米波的頻率很高,波長很短,這就意味著其天線尺寸可以做得很小,這是部署小基站的基礎(chǔ)。
 
可以預(yù)見的是,未來5G移動通信將不再依賴大型基站的布建架構(gòu),大量的小型基站將成為新的趨勢,它可以覆蓋大基站無法觸及的末梢通信。
 
因為體積的大幅縮小,我們設(shè)置可以在250米左右部署一個小基站,這樣排列下來,運營商可以在每個城市中部署數(shù)千個小基站以形成密集網(wǎng)絡(luò),每個基站可以 從其它基站接收信號并向任何位置的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。當然,你大可不必擔(dān)心功耗問題,小基站不僅在規(guī)模上要遠遠小于大基站,功耗上也大大縮小了。
 
除了通過毫米波廣播之外,5G基站還將擁有比現(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站多得多的天線,也就是Massive MIMO技術(shù)。
 
3.Massive MIMO
 
現(xiàn)有的4G基站只有十幾根天線,但5G基站可以支持上百根天線,這些天線可以通過Massive MIMO技術(shù)形成大規(guī)模天線陣列,這就意味著基站可以同時從更多用戶發(fā)送和接收信號,從而將移動網(wǎng)絡(luò)的容量提升數(shù)十倍倍或更大。
 
MIMO(MulTIple-Input MulTIple-Output)的意思是多輸入多輸出,實際上這種技術(shù)已經(jīng)在一些4G基站上得到了應(yīng)用。但到目前為止,Massive MIMO僅在實驗室和幾個現(xiàn)場試驗中進行了測試。
 
隆德大學(xué)教授Ove Edfors曾指出,“Massive MIMO開啟了無線通訊的新方向——當傳統(tǒng)系統(tǒng)使用時域或頻域為不同用戶之間實現(xiàn)資源共享時,Massive MIMO則導(dǎo)入了空間域(spaTIal domain)的途徑,其方式是在基地臺采用大量的天線以及為其進行同步處理,如此則可同時在頻譜效益與能源效率方面取得幾十倍的增益。”
 
毋庸置疑,Massive MIMO是5G能否實現(xiàn)商用的關(guān)鍵技術(shù),但是多天線也勢必會帶來更多的干擾,而波束成形就是解決這一問題的關(guān)鍵。
 
4.波束成形
 
Massive MIMO的主要挑戰(zhàn)是減少干擾,但正是因為Massive MIMO技術(shù)每個天線陣列集成了更多的天線,如果能有效地控制這些天線,讓它發(fā)出的每個電磁波的空間互相抵消或者增強,就可以形成一個很窄的波束,而不是全向發(fā)射,有限的能量都集中在特定方向上進行傳輸,不僅傳輸距離更遠了,而且還避免了信號的干擾,這種將無線信號(電磁波)按特定方向傳播的技術(shù)叫做波束 成形(beamforming)。
 
這一技術(shù)的優(yōu)勢不僅如此,它可以提升頻譜利用率,通過這一技術(shù)我們可以同時從多個天線發(fā)送更多信息;在大規(guī)模天線基站,我們甚至可以通過信號處理算法來計算出信號的傳輸?shù)淖罴崖窂?,并且最終移動終端的位置。因此,波束成形可以解決毫米波信號被障礙物阻擋 以及遠距離衰減的問題。
 
除此之外,最后要提到5G的另一大特色——全雙工技術(shù)。
 
5.全雙工
 
全雙工技術(shù)是指設(shè)備的發(fā)射機和接收機占用相同的頻率資源同時進行工作,使得通信兩端在上、下行可以在相同時間使用相同的頻率,突破了現(xiàn)有的頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)模式,這是通信節(jié)點實現(xiàn)雙向通信的關(guān)鍵之一,也是5G所需的高吞吐量和低延遲的關(guān)鍵技術(shù)。
 
在同一信道上同時接收和發(fā)送,這無疑大大提升了頻譜效率。但是5G要使用這一顛覆性技術(shù)也面臨著不小的挑戰(zhàn),根據(jù)《移動通信》之前發(fā)布的資料顯示,主要有一下三大挑戰(zhàn):
 
1.電路板件設(shè)計,自干擾消除電路需滿足寬頻(大于100MHZ)和多MIMO(多于32天線)的條件,且要求尺寸小、功耗低以及成本不能太高。
 
2.物理層、MAC層的優(yōu)化設(shè)計問題,比如編碼、調(diào)制、同步、檢測、偵聽、沖突避免、ACK等,尤其是針對MIMO的物理層優(yōu)化。
 
3.對全雙工和半雙工之間動態(tài)切換的控制面優(yōu)化,以及對現(xiàn)有幀結(jié)構(gòu)和控制信令的優(yōu)化問題。
 
因此,盡管5G的勢頭遠遠超過了之前的4G,但5G的未來仍充滿了不確定性,現(xiàn)在我們需要等待的是這些技術(shù)從實驗階段走向?qū)嵱谩?/div>
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