什么是5G網(wǎng)絡(luò)？

如果用標(biāo)志性能力和關(guān)鍵技術(shù)來(lái)定義每一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵能力極為豐富：用戶能體驗(yàn)到0.1-1Gbps的下行速率，毫秒級(jí)的端到端時(shí)延，每小時(shí)500公里以上的高速移動(dòng)特性，容納海量設(shè)備入網(wǎng)。關(guān)鍵技術(shù)將會(huì)在后文詳細(xì)說(shuō)明，下面通過(guò)與4G對(duì)比、5G之花，看看5G到底能給我們帶來(lái)什么新的體驗(yàn)突破。

從對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)看，理論峰值速度往往設(shè)定得比較高，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模商用后，由于高連接數(shù)密度導(dǎo)致基站出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，實(shí)測(cè)速率急劇下降，通常只有峰值速度1/3。另一方面從5G白皮書(shū)給出的5G之花可以了解，對(duì)比4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)在用戶體驗(yàn)速率和流量密度上有了質(zhì)的飛躍。即便是按照1/3的關(guān)系換算，5G的日常體驗(yàn)速率也能發(fā)揮到350Mbps。當(dāng)然不排除5G后續(xù)演進(jìn)會(huì)給予我們更多驚喜。

中國(guó)提出的5G之花

需求在何方？

目前我們認(rèn)為5G網(wǎng)絡(luò)的主要驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于：

1、物聯(lián)網(wǎng)。未來(lái)移動(dòng)通信發(fā)展方向，擴(kuò)展了移動(dòng)通信的服務(wù)范圍，從以前人與人通信延伸到物與物、人與物智能互聯(lián)，使移動(dòng)通信技術(shù)滲透至更加廣闊的行業(yè)和領(lǐng)域，入網(wǎng)設(shè)備也因此爆發(fā)式增長(zhǎng)。例如智能家居、智能汽車(chē)、智能傳感器都將接入移動(dòng)通信網(wǎng)，為用戶提供服務(wù)。

2、在未來(lái)幾十年，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)2010年到2020年全球移動(dòng)數(shù)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量會(huì)出現(xiàn)高速增長(zhǎng)，而且在中國(guó)增速高于全球平均水平。

3、業(yè)務(wù)和用戶需求。在未來(lái)，4k視頻、3D和浸入式視頻的流行將會(huì)使得數(shù)據(jù)流量大幅提升，VR虛擬現(xiàn)實(shí)、云桌面等業(yè)務(wù)，不僅對(duì)上下行數(shù)據(jù)傳輸速率提出挑戰(zhàn)，同時(shí)也對(duì)超低時(shí)延、高速移動(dòng)情況下保持?jǐn)?shù)據(jù)連接提出了苛刻要求。

5G什么時(shí)候?qū)崿F(xiàn)？

2015年在瑞士日內(nèi)瓦召開(kāi)的無(wú)線電通信全會(huì)上正式確定了5G的法定名稱(chēng)是“IMT-2020”。早在三年前，國(guó)際電信聯(lián)盟ITU已啟動(dòng)了面向5G標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，并明確了工作計(jì)劃。3GPP作為國(guó)際移動(dòng)通信行業(yè)的主要標(biāo)準(zhǔn)組織，將承擔(dān)5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的制定工作。

5G標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施時(shí)間

盡管目前各大通信巨頭進(jìn)行技術(shù)上研發(fā)以及5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之間的相互博弈，都希望本公司的技術(shù)和專(zhuān)利被納入標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，以便獲得后續(xù)巨大利益。總體來(lái)說(shuō)5G標(biāo)準(zhǔn)制定工作處于落后階段，5G商業(yè)化依然無(wú)期。

5G有什么關(guān)鍵無(wú)線技術(shù)？

既然5G標(biāo)準(zhǔn)還未確定，那么到底有哪些具有潛力的候選技術(shù)呢？在無(wú)線核心技術(shù)領(lǐng)域，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和全頻譜接入這四個(gè)技術(shù)是最為熱門(mén)的關(guān)鍵技術(shù)。

5G關(guān)鍵技術(shù)

在前文提及，按照5G規(guī)劃的用戶體驗(yàn)速率會(huì)高達(dá)0.1-1Gbps。如果把數(shù)據(jù)比喻成一輛輛車(chē)，帶寬就好比是道路寬度，最大速率是道路的最大車(chē)流量。顯然易見(jiàn)，增加車(chē)道數(shù)是提高最大車(chē)流量最直接有效的方法。同樣的，提高速率的最簡(jiǎn)單粗暴的方法就是增加帶寬。

道路擁堵解決方案　

3.5GHz頻段

應(yīng)用高帶寬的核心方法就是采用更高的頻段，同時(shí)從已經(jīng)分配好的頻譜資源來(lái)看，2.5GHz以下的頻譜資源已經(jīng)幾乎被利用完。

中國(guó)無(wú)線電頻譜分配 

因此目前最被看好的5G頻段是3.5GHz，也是國(guó)際上的熱點(diǎn)頻段。歐洲、美國(guó)、日本也都在進(jìn)行3.5GHz頻段的技術(shù)試驗(yàn)，目前中國(guó)移動(dòng)對(duì)3.5GHz這個(gè)頻段進(jìn)行多種測(cè)試驗(yàn)證可行性。

各國(guó)3.5GHz頻道應(yīng)用

毫米波

高帶寬必須依托著高頻段，那么5G就很可能會(huì)使用超高頻段。根據(jù)物理公式c=λf，30GHz以上的頻段，其波長(zhǎng)縮短至毫米級(jí)別，稱(chēng)為毫米波。能提供Gbps級(jí)別傳輸速率，完全滿足5G的指標(biāo)需求。

波長(zhǎng)與頻率關(guān)系

微基站

日常生活中，如果我們進(jìn)入一些大廈陰暗角落或者是密集多層結(jié)構(gòu)的建筑里面，我們的手機(jī)往往沒(méi)有4G信號(hào)，只剩下2G網(wǎng)絡(luò)。這是因?yàn)閷?duì)于電磁波頻率越高，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(huì)更高，繞射能力直線下降，信號(hào)只能直射而且傳播距離十分有限，將傳統(tǒng)上使用的大型宏基站改用站點(diǎn)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(guī)模陣列天線

電磁波波長(zhǎng)縮短到毫米波，也對(duì)天線尺寸造成影響。據(jù)天線設(shè)計(jì)理論：線尺寸為波長(zhǎng)的1/10~1/4之間，其天線增益和輻射效率達(dá)到最大。使用毫米波后，天線尺寸也變?yōu)楹撩准?jí)，可以在以前相同面積設(shè)備內(nèi)布置更多的天線。通信基站可以采用大規(guī)模陣列天線，極大地提升了頻率效率、用戶體驗(yàn)、傳輸可靠性。

瑞典隆德大學(xué)開(kāi)發(fā)的128陣列天線實(shí)驗(yàn)機(jī)

高階MIMO

引入陣列天線后，又給高階MIMO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了新的可能。應(yīng)用MIMO技術(shù)可以進(jìn)行一對(duì)多的并行通信，每一對(duì)天線都獨(dú)立傳送一路信息，這樣就可以成倍提高速率，同時(shí)同頻地提供服務(wù)從而大幅提升系統(tǒng)容量以及系統(tǒng)覆蓋范圍。

高階MIMO技術(shù)

波束賦形

利用通信基站的陣列天線，通過(guò)對(duì)射頻信號(hào)相位的進(jìn)行控制，使得干涉以后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，并指向它所提供服務(wù)的手機(jī)，還能跟據(jù)手機(jī)的移動(dòng)而轉(zhuǎn)變方向。在5G入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量成百上千倍增加的情況下，這種波束賦形技術(shù)所能帶來(lái)的容量增加就顯得非常有價(jià)值。

電磁波水平方法輻射圖

多載波聚合

將十分零散的載波信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換組合成一個(gè)具有寬頻帶的新載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，配合上MIMO和波束賦形技術(shù)使用，有效提高頻譜效率和傳輸速率。在未來(lái)的5G中，聚合波段遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止三個(gè)，速率前所未有。

載波聚合示意圖

非正交多址技術(shù)

多址接入技術(shù)是指移動(dòng)通信系統(tǒng)中，使所有的用戶共享有限的無(wú)線資源，并實(shí)現(xiàn)不同用戶不同地點(diǎn)同時(shí)通信并盡可能減少干擾的目的。為了進(jìn)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(shù)。其可以理解為OFDM的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)功率域維度。新增功率域可以讓系統(tǒng)利用每個(gè)用戶不同的路徑損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)多用戶復(fù)用，提高系統(tǒng)容量和魯棒性。

正交與非正交多址技術(shù)

對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)，你有什么期待？

作為用戶的我們，可以利用下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)做哪些曾經(jīng)不敢想象的事情呢？根據(jù)5G的關(guān)鍵指標(biāo)，可以大膽地推測(cè)，5G將會(huì)實(shí)現(xiàn)信息隨心至，萬(wàn)物觸手及。

1、優(yōu)秀的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)

·超高速率下，僅需要幾秒即可下載一部高清電影。
·超低延遲下，即使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)也能輕松應(yīng)付如LOL競(jìng)技類(lèi)對(duì)時(shí)延要求極為苛刻的游戲。
·超高移動(dòng)速度，在高鐵上也能愉快地打電話瀏覽互聯(lián)網(wǎng)資訊。

2、萬(wàn)物互聯(lián)

我們所有的智能設(shè)備都支持直接接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，不需用每天藍(lán)牙同步到手機(jī)終端如此麻煩，所有數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳到終端，以圖形化形式展示。車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能家居更不再話下，甚至可以用5G網(wǎng)絡(luò)快速搭建遠(yuǎn)程醫(yī)療環(huán)境，遠(yuǎn)程操作例如達(dá)芬奇醫(yī)療機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)。

3、云、VR的未來(lái)

高速網(wǎng)絡(luò)的可以讓我們不用下載軟件、游戲，一切都在云端實(shí)現(xiàn)。在線播放超高清視頻，甚至可以無(wú)線支持現(xiàn)在非常火爆的VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，甩掉那又長(zhǎng)又累贅的數(shù)據(jù)線。

5G網(wǎng)絡(luò)能帶給我們更多的期待

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