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[導讀]移動通信技術近幾年以來發展迅速,經歷過了幾代技術的積累與沉淀,新一代通信協議也漸漸出現在我們的視野中,我們稱其為“5G”,何為“5G”?本文就以5G為中心,從它的概念、未來發展、以及其中幾

移動通信技術近幾年以來發展迅速,經歷過了幾代技術的積累與沉淀,新一代通信協議也漸漸出現在我們的視野中,我們稱其為“5G”,何為“5G”?本文就以5G為中心,從它的概念、未來發展、以及其中幾大重要的技術說起,希望看完后,對你有一些幫助。

5G的概念:

5G是第五代移動電話行動通信標準,也稱第五代移動通信技術,在字面上5G是英文“第五代”的縮寫,此前移動通信領域已經歷了四代技術的發展,其特征從模擬技術、數字技術一直走到了現在的高速多媒體通信。受訪的上述中國企業提出的5G設想,其特征包括可接入設備顯著增加、端到端時延減少、用戶速率提高、能夠為移動互聯網和物聯網的發展創造條件等。

2014年5月13日,三星電子宣布,其已率先開發出了首個基于5G核心技術的移動傳輸網絡,并表示將在2020年之前進行5G網絡的商業推廣。

5G的未來:

三星在5G網絡上的取代技術突破,將給全球5G網絡研發帶來活力,并推動其商業化進程,同時有助于5G網絡技術國際標準的制定。

為搶占未來市場,當前全球多個國家已競相展開5G網絡技術開發,中國和歐盟正在投入大量資金用于5G網絡技術的研發。

當前全球多個國家已競相展開5G網絡技術開發,中國和歐盟都為此投入了大量資金和研發力量。三星在5G網絡上取得的技術突破,將進一步加劇全球5G網絡研發的競爭,加速其商業化進程。三星電子DMC研究所有關專家表示,隨著移動網絡數據傳輸速度的突飛猛進,畫質超過全高清4倍-8倍的超高清(UHD)影像以及3D立體影像制作業也將迎來發展的新時期。

如果3G網速是清風,4G網速是暴風,那么5G網速應該就是龍卷風。隨著20Gbps速度5G網絡的臨近,未來的生活將會發生哪些變化?

網速更快資費更低

網速快不是5G的唯一標準,但對用戶而言,5G最起碼要網速更快,到底有多快?

韓國三星公司曾經在2013年測試過1Gbps的5G網絡,這意味著下載一部高清電影只需要1秒。而英國最新一項實驗證明,無線數據連接的速度最高可以達到800Gbps,相當于在一秒鐘之內可下載800部高清電影。

網絡資費高,一直是中國用戶的心頭之痛。4G商用之初,就有用戶吐槽 “一夜不關流量房子歸移動”。 5G時代,這種擔心就變得多余了,當5G開始商用,網絡資費會進一步降低。

衣食住行萬物互聯

可以說,從4G到5G,將會是根本性的革命,通信技術能真正廣泛地應用,實現萬物互聯,尤其是交通、醫療、工業等領域。

據5月末我國發布的 《5G網絡技術架構白皮書》,到2020年左右,5G將大規模商用,實現數據流量千倍增長,使經濟生活從過去的移動互聯網擴展到物聯網領域。

到2020年,外界普遍預測全球將會有500億到1000億部設備接入到互聯網中。據預測,5G如果全部實現部署以后,其所提供的連接數會達到千億數量級,萬物聯網將成為現實,包括遠程手術、無人駕駛汽車和各種各樣的“物聯網”。

物聯網可不僅僅只是讓你通過遠程控制的方式提高室內溫度或冰箱提醒你購買牛奶,甚至在列車還未到站的時候就可以告訴等車的乘客們現在還有多少空座,5G網絡還將支持可佩戴式設備,例如健身跟蹤器和智能手表、智能頭盔、智能家庭設備如鳥巢式室內恒溫器等。

與WIFI無縫對接

5G網絡將比以往任何移動網絡連接都更加穩定,延遲性降低,同時,無線技術的進步將會讓網絡突然中斷的現象變得越來越少,延遲指的就是發出命令和命令得到響應之間的時間差。

曹淑敏介紹了5G時代的“低延遲、高可靠場景”,比如說,在無人駕駛的領域,汽車在駕駛時要有毫秒級的反應。除無人駕駛汽車外,還有許多其他技術都對網絡的低延遲性擁有很高的要求。比如智能交通、遠程控制手術、遠程控制機器人進行復雜操作等。愛立信預測,5G網絡的延遲將會在1毫秒之內,比目前4G網絡的延遲快了50倍。這非常重要,尤其是在醫生需要依靠網絡進行遠程手術或診斷的時候。

全球頂尖通信信息研究機構貝爾實驗室無線研究部副總裁介紹,5G時代,手機用戶對移動網絡和WIFI網絡的感知差異可能將消失。用戶從室外到室內,從移動網絡連接到WIFI,可以無縫、平滑過渡,省去了切換網絡、輸入密碼等繁瑣步驟,幾乎感覺不到WIFI“存在”,包括語音通話也可以在WIFI網絡上傳輸。從用戶角度來看,WIFI似乎“消亡”,而其實是與移動網絡融合,讓用戶感知不到兩者的差異。

此外,5G還適用于 “低光耗、大連接”的場景,比如在橋梁、高速鐵路、野外等等,會大量使用傳感器,有了5G技術,能做到低功耗,就能長時間使用。

 

要了解5G 需要關注這6項技術

 

需要關注的技術:

1、增加帶寬是關鍵

5G最顯著的特點是高速,按規劃速率會高達10~50Gbps,人均月流量大約有36TB。如此高的速率該靠什么資源來支撐呢?必須要靠更大的帶寬!

 

 

帶寬用字母B來表示,它就好比是道路寬度,最大速率用C來表示,它就好比是道路的最大車流量。顯然易見,4車道的最大車流量是2車道的2倍,8車道的是2車道的4倍,這非常好理解。

增加車道數是提高最大車流量最直接有效的方法,同樣地,提高速率的最直接有效的方法就是增加帶寬。我依然記得讀研究生時,老師在講到帶寬時擲地有聲地說:“你們給我記住:高速就是寬帶,寬帶就是高速!

 

要了解5G 需要關注這6項技術

 

人們對通信速率要求越來越高,迫使著信道的帶寬就越來越寬,幾根電話線的帶寬不夠,那就增加到幾百根,幾百根不夠就換成同軸電纜,電纜帶寬不夠就換成光纖,有線通信的帶寬就是這樣一代代地遞增著。

而手機通信使用的是無線信道,那它的帶寬是如何增加的呢?核心方法就是采用更高的頻段。

 

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上過初中的都知道【光速=頻率×波長】這個公式,知道這個公式就能看懂上面這個表格了,頻率與波長成反比,兩者之積等于光速,即30萬公里/秒。

請看表格中兩個黃色塊的數據,數值都是3~30,但單位不同,甚低頻段的整個帶寬是27kHz,超高頻段的整個帶寬是27GHz,后者是前者的100萬倍!由此可見,頻段越高且帶寬越大,這點非常好理解,好比是低保戶和大富豪都拿出全部的財產,后者會比前者多得多。

所以關系就來了:5G時代若想更高速,就得使用更大的帶寬,而要取得更大的帶寬,就得使用更高的頻段。4G之前使用是特高頻段,5G就得往超高頻甚至更高的頻段發展了。根據國際電信聯盟的專家預測,將來有可能使用30GHz~60GHz的頻段,俄羅斯專家甚至提出了80GHz的方案。

30GHz以上的頻段,比上表中最后一項的超高頻還要高,其波長自然要比厘米段更短,那就是更短的毫米波,因此毫米波就順理成章地成為了5G的一項關鍵技術。

2、毫米波技術

電波傳播的特性很有趣,頻率越高(即波長越短)的電磁波,就越傾向于直線傳播,當高到紅外線和可見光以上時,就一點也不打彎了,這是個漸進的過程。

 

要了解5G 需要關注這6項技術

 

毫米波一般不用于移動通信領域,原因就是它的頻率都快接近紅外線了,信道太“直”,移動起來不容易對準。請想象一個場景,您拿著激光筆指遠處墻壁上的圖釘,是不是一件很困難的事?

例如衛星車就很難“動中通”,開動起來車身搖擺,天線(就是那個大鍋)就很難對準衛星,通常只能駐車后工作,而且必須精細調整天線的角度,使其電波的輻射方向正對著衛星,否則就無法通信。

手機是移動使用的,不可能打電話時還舉著手機瞄準準基站的方向,那樣實在是反人性。雖然在非正對方向也有信號,但強度會明顯衰弱,使用體驗會比4G之前要差得多。

 

 

電磁波有五種傳播模式,相對于未來的5G時代,我們現在手機的頻率要低得多,其繞射能力還是不錯的,樓房陰影處的信號也沒太大問題,因為信號可以繞著到達。

 

要了解5G 需要關注這6項技術

 

而未來5G的頻率會高得多,繞射能力會下降,信號只能傻楞楞地直著走,以往信號能到達的犄角旮旯就到不了了,那該怎么辦呢?這就引出了更一項技術—微基站技術。

3、大規模MIMO

大規模MIMO技術作為5G的一項關鍵技術,可利用多天線多用戶空分技術成倍提升頻譜效率,幫助運營商最大限度利用已有資源。

大規模 MIMO的基本特征是:在基站覆蓋區域內配置數十根甚至數百根以上天線,較 4G系統中的4(或8)根天線數增加一個量級以上,這些天線以大規模陣列的方式集中放置。這樣可帶來的好處是:首先,基站覆蓋范圍內的多個用戶可在同一時頻資源上與基站同時進行通信,充分利用大規模天線配置帶來的空間自由度,提升頻譜效率;其次,利用大規模天線帶來的分集增益和陣列增益,還可提升用戶與基站通信的功率效率。

其實,早期提出的分布式協作網絡,就已經引入了多用戶MIMO的通信模式。在分布式協作網絡中,處于不同地理位置的節點(分布式天線)在同一時頻資源上完成與不同用戶終端的通信,在提高頻譜效率和功率效率的同時,也改善了小區邊緣用戶的性能。然而,傳統的分布式天線往往會出現頻譜效率和功率效率提升的“瓶頸”問題,這使得大規模MIMO在深度挖掘和利用空間維度方面獨具優勢。

當然,大規模MIMO也存在一些技術上的挑戰。首先是大規模MIMO信道建模問題,目前大部分研究都假設大規模MIMO信道是獨立同分布信道,但實測結果卻表明,信道能量往往集中在有限的方向上;其次是導頻污染問題。在TDD大規模MIMO傳輸方案中,各用戶向基站發送正交的導頻信號,基站估計上行信道后利用信道互易性來獲得下行信道參數,然而,隨著用戶數目的增加,導頻開銷也隨之增加,相互正交的導頻就變得不再夠用,這就是所謂的“導頻污染”;另外,在多用戶傳輸技術方面,如何在有限的信道信息條件下實施下行預編碼和上行多用戶聯合接收等,都是大規模MIMO中有待解決等關鍵問題。

總之,傳統的MIMO技術目前已商用并趨于成熟,而大規模MIMO技術能夠更充分地利用空間維度,大幅度地提升頻譜效率和功率效率,必將成為5G移動通信系統中的一顆耀眼明珠。

4、波束賦形技術

中國主導的3G國際標準TD-SCDMA有六大技術特點,其中有一項就是智能天線,在基站上布設天線陣列,通過對射頻信號相位的控制,使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄,并指向它所提供服務的手機,而且能跟據手機的移動而轉變方向。

由全向的信號覆蓋變為了精準指向性服務,這種新形式的無線電波束就不會干擾到其它方向的波束,從而可以在相同的空間中提供更多的通信鏈路。這種充分利用空間的無線電波束技術是一種空間復用技術,可以極大地提高基站的服務容量。

遺憾的是這項技術沒有在3G時代得到應用,但在5G入網設備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,波束賦形技術很可能成為5G的關鍵性技術之一。

波束賦形技術不僅能大幅度增加容量,還可大幅度提高基站定位精度。當前的手機基站定位的精度很粗劣,這是源于基站全向輻射的模式。當波束賦型技術成功應用后,基站對手機的輻射波瓣是很窄的,這就知道了手機相對于基站的方向角,再加上通過接收功率大小推導出手機與基站的距離,就可以實現手機的精準定位了,并因此而擴展出非常多的定位增值服務。

5、C-RAN技術:

C-RAN是根據現網條件和技術進步的趨勢,提出的新型無線接入網構架。C-RAN是基于集中化處理(Centralized Processing),協作式無線電(Collaborative Radio)和實時云計算構架(Real-time Cloud Infrastructure)的綠色無線接入網構架(Clean system)。其本質是通過實現減少基站機房數量,減少能耗,采用協作化、虛擬化技術,實現資源共享和動態調度,提高頻譜效率,以達到低成本,高帶寬和靈活度的運營。C-RAN的總目標是為解決移動互聯網快速發展給運營商所帶來的多方面挑戰(能耗,建設和運維成本,頻譜資源),追求未來可持續的業務和利潤增長。這在5G技術發展上,會是比較屬于后面的階段。

6、新的調制技術:

 

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