5G到底是什么?看完总算彻底明白了!

机器人前沿2020-06-29 10:44:02

5G不是横空出世个令人惊异的新技术,5G技术是现有技术的新组合,是4G技术的再演进。



在3G、4G和5G等名词中,G是英文单词“generation”(第x代)的缩写。因此,5G就是第五代移动通信技术。


一、5G的发展历程关键点


在移动通信领域:


第一代是模拟技术;

第二代实现了数字化语音通信;

第三代是人们熟知的3g技术,以多媒体通信为特征;

第四代是正在铺开的4g技术,其通信速率大大提高,标志着进入无线宽带时代。



简单来看,5G的速度将会更快,而功耗将低于4G,从而带来一系列新的无线产品。中移动副总裁李正茂曾经发言要求5G时代的电信设备大幅度降价:“4G到5G时代,单位比特的传输成本降低了1000倍,那么我们也希望电信设备价格也降低1000倍,成本是决定运营商在数据时代能否盈利的关键。”


  • 5G其实并不是全新科技


关于5G的两种不同观点:


有一种观点认为,5G将会是全新技术。这个观点的代表者为华为无线网络产品线CMO杨超斌,在他看来,4G再怎么演变也不会变成5G,5G将会是一个全新技术。


5G不只是一次技术的更新,更是非常大的跳跃性发展、是一个变革,这也意味着网络架构必须提升,5G对网路的需求将与4G截然不同;虽然现在使用的4G LTE技术仍会不断演进,但4G再怎么演变也不会成为5G,5G将会是全新技术。


但大多数技术专家更倾向于以下观点:5G就是4G技术的必然演进——既要演进也要革命。


虽 然任何一代技术发展,都不可能是上一代技术的重复,如果新一代的技术和上一代技术是一样,那还什么新一代,所以3G技术不同于2G,4G不同于3G,它的技术原理、解决问题的方式、部署的办法,实现的能力都不同,但是没有上一代技术的根基,或者说下一代没有对上一代的技术传承,实现革命性的升级也是空中楼阁。



5G不是横空出世个令人惊异的新技术,5G技术是现有技术的新组合,是4G技术的再演进。


为什么要强调“再”?因为4G LTE的后三个字母就是长期演进的意思,5G应是在4G基础上的再演进。关于技术演进的观点,科学松鼠会会员通信专业教师奥卡姆剃刀有个通俗的双驼峰理论,能很清晰解释5G仅仅是一种技术演进的观点。




奥卡姆剃刀的双驼峰理论:


奥卡姆剃刀认为,一项新技术概念出现后,在业界会出现一个研究讨论的高潮,这是第一个驼峰。


相关的学术论文会产为热点,成堆的博士硕士依托这项新技术完成了毕业论文,虽然很热闹,但这仅仅局限在学术研讨层面上,而在具体的技术实现方面还存在着很多问题,或者因成本原因而根本无法量产。


研究讨论高潮逐渐降温,这是第一个驼峰的下落期,接下来是低调务实的技术攻关,这个平台期可能几年也可能一二十年,当技术问题都解决后,就会迎来商家量产和投入市场的热潮,这就是第二个驼峰。


按照国际电信联盟关于2020年的规划,5年后就要全面进入5G了,而到现在核心技术体系还没有确立。回顾3G技术发展史,国际电信联盟于1998年6月30日接收了3G技术提案,并迎来了第一个驼峰期,直到2009年1月7日,工业和信息化部正式发放了三张3G牌照,这才进入到第二个驼峰, 平台期持续了11年,特别是三张牌照之一的TD-SCDMA,直到2013年才真正成熟,平台期长达15年,可刚成熟4G时代就来临了。按照“双驼峰规 律”,5年后将在全球推广使用的技术,应在2010年左右就迎来第一个驼峰,而不会在2020前的两三年横空出世,然后迅速被国际电信联盟确定为全球的 5G标准,这违反了一般的技术发展规律,不太可能成真。



  • 没有3G、4G技术的发展就没有5G


实质上,在5G研究上大部分研发机构选择的道路也是如此,两条腿走路。


5G研发中提出两条腿走路:一方面继续推动基于4G技术的演进,一方面研发5G新技术,两者兼顾。


在 5G时代的千倍提速要求面前,通过4G技术的演进,只有通过大幅度的加大带宽才有可能。加大带宽是起点,由此而产生的毫米波、微基站、高阶MIMO、波束 赋型等都是顺理成章的技术趋势。5G时代对大规模天线阵列、毫米波技术、新型网络架构、新型空口设计的关键技术核心也大都是基于4G网络技术延伸而来,大 都能成倍提升性能。以软空口技术为例,这个技术结合Pre5G的硬件处理能力,让运营商具有了从4G到5G的平滑升级能力,4G到Pre5G这个阶段,终 端不用更换,而从Pre5G到5G,基站设备也可以继续使用。


图:毫米波技术下的微基站。


明白了5G就是第五代移动通信技术的基本定义就明白是从3G、4G升级而来,自然也是一种技术的积累和演进,也可以说没有3G、4G技术的发展就没有5G的产生。5G技术的演进一方面是技术积累的必然结果,当然也要求有革命性创新才能实现演进的目标,另一方面也是人类通信需求快速提高的必然要求。


反过来说,之前5G迟迟没普及,一是技术达不到,二是还没有应用的需求出现。现在有了需求,才有了5G。什么需求?未来的网络将会面对:1000倍的数据容量增长,10到100倍的无线设备连接,10到100倍的用户速率需求,10倍长的电池续航时间需求等等。坦白地讲,可能未来五六年4G网络或许将无法满足这些需求,所以5G就必须提前登场。



基于技术演进的判断,回顾我国通过3G和4G时代的艰苦奋斗,我们有理由相信我国的产业和技术的提升也为5G布局打下坚实的基础,我国从以往被动接受技术变为开始输出技术,会有机会发展成为全球5G技术、标准、产业和应用服务的领先国家之一,从跟随到引领,中国通信业有机会在5G时代学习中国高铁实现弯道超车。三大运营商、华为、大唐、中兴等中国企业对5G研发的投入由来已久,并走在世界前列。


二、5G到底有哪些优势?


对于数消费者而言,5G的价值在于它拥有比4g LTE更快的速度(峰值速率可达几十Gbps),例如你可以在一秒钟内下载一部高清电影,而4G LTE可能要10分钟。也正是因为这一得天独厚的优势,业界普遍认为5G将在无人驾驶汽车、VR以及物联网等领域发挥重要作用。



和4G相比,5G的提升是全方位的,按照3GPP的定义,5G具备高性能、低延迟与高容量特性,而这些优点主要体现在毫米波、小基站、Massive MIMO、全双工以及波束成形这五大技术上。


1.毫米波


众所周知,随着连接到无线网络设备的数量的增加,频谱资源稀缺的问题日渐突出。至少就现在而言,我们还只能在极其狭窄的频谱上共享有限的带宽,这极大的影响了用户的体验。


那么5G提供的几十个Gbps峰值速度如何实现呢?


众所周知,无线传输增加传输速率一般有两种方法,一是增加频谱利用率,二是增加频谱带宽。5G使用毫米波(26.5-300GHz)就是通过第二种方法来提升速率,以28GHz频段为例,其可用频谱带宽达到了1GHz,而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则为2GHz。



在移动通信的历史上,这是首次开启新的频带资源。在此之前,毫米波只在卫星和雷达系统上被应用,但现在已经有运营商开始使用毫米波在基站之间做测试。


当然,毫米波最大的缺点就是穿透力差、衰减大,因此要让毫米波频段下的5G通信在高楼林立的环境下传输并不容易,而小基站将解决这一问题。


2.小基站


上文提到毫米波的穿透力差并且在空气中的衰减很大,但因为毫米波的频率很高,波长很短,这就意味着其天线尺寸可以做得很小,这是部署小基站的基础。


可以预见的是,未来5G移动通信将不再依赖大型基站的布建架构,大量的小型基站将成为新的趋势,它可以覆盖大基站无法触及的末梢通信。



因为体积的大幅缩小,我们设置可以在250米左右部署一个小基站,这样排列下来,运营商可以在每个城市中部署数千个小基站以形成密集网络,每个基站可以 从其它基站接收信号并向任何位置的用户发送数据。当然,你大可不必担心功耗问题,小基站不仅在规模上要远远小于大基站,功耗上也大大缩小了。


除了通过毫米波广播之外,5G基站还将拥有比现在蜂窝网络基站多得多的天线,也就是Massive MIMO技术。


3.Massive MIMO


现有的4G基站只有十几根天线,但5G基站可以支持上百根天线,这些天线可以通过Massive MIMO技术形成大规模天线阵列,这就意味着基站可以同时从更多用户发送和接收信号,从而将移动网络的容量提升数十倍倍或更大。


MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)的意思是多输入多输出,实际上这种技术已经在一些4G基站上得到了应用。但到目前为止,Massive MIMO仅在实验室和几个现场试验中进行了测试。



隆德大学教授Ove Edfors曾指出,“Massive MIMO开启了无线通讯的新方向——当传统系统使用时域或频域为不同用户之间实现资源共享时,Massive MIMO则导入了空间域(spatial domain)的途径,其方式是在基地台采用大量的天线以及为其进行同步处理,如此则可同时在频谱效益与能源效率方面取得几十倍的增益。”


毋庸置疑,Massive MIMO是5G能否实现商用的关键技术,但是多天线也势必会带来更多的干扰,而波束成形就是解决这一问题的关键。


4.波束成形


Massive MIMO的主要挑战是减少干扰,但正是因为Massive MIMO技术每个天线阵列集成了更多的天线,如果能有效地控制这些天线,让它发出的每个电磁波的空间互相抵消或者增强,就可以形成一个很窄的波束,而不是全向发射,有限的能量都集中在特定方向上进行传输,不仅传输距离更远了,而且还避免了信号的干扰,这种将无线信号(电磁波)按特定方向传播的技术叫做波束 成形(beamforming)。



这一技术的优势不仅如此,它可以提升频谱利用率,通过这一技术我们可以同时从多个天线发送更多信息;在大规模天线基站,我们甚至可以通过信号处理算法来计算出信号的传输的最佳路径,并且最终移动终端的位置。因此,波束成形可以解决毫米波信号被障碍物阻挡 以及远距离衰减的问题。


除此之外,最后要提到5G的另一大特色——全双工技术。


5.全双工


全双工技术是指设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作,使得通信两端在上、下行可以在相同时间使用相同的频率,突破了现有的频分双工(FDD)和时分双工(TDD)模式,这是通信节点实现双向通信的关键之一,也是5G所需的高吞吐量和低延迟的关键技术。



在同一信道上同时接收和发送,这无疑大大提升了频谱效率。但是5G要使用这一颠覆性技术也面临着不小的挑战,根据《移动通信》之前发布的资料显示,主要有一下三大挑战:


  • 电路板件设计,自干扰消除电路需满足宽频(大于100MHZ)和多MIMO(多于32天线)的条件,且要求尺寸小、功耗低以及成本不能太高。

  • 物理层、MAC层的优化设计问题,比如编码、调制、同步、检测、侦听、冲突避免、ACK等,尤其是针对MIMO的物理层优化。

  • 对全双工和半双工之间动态切换的控制面优化,以及对现有帧结构和控制信令的优化问题。


因此,尽管5G的势头远远超过了之前的4G,但5G的未来仍充满了不确定性,现在我们需要等待的是这些技术从实验阶段走向实用。



素材整理自物联网智库

「END」


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