5G 网络关键能力极为丰富:用户能体验到 0.1-1Gbps 的下行速率,毫秒级的端到端时延,每小时 500 公里以上的高速移动特性,容纳海量设备入网。

  

近些年智能手机的革命,不仅硬件上得到长足的发展,功能亦日渐丰富,成为日常生活中必不可少的一部分。手机更离不开提供数据服务的移动通信网络,历经 40 年发展,我们用上可以视频聊天、看视频、打网游的 4G 移动网络,然而没多久,5G 的声音已经铺天盖地的,那么 5G 网络又是什么样的呢?

  

什么是 5G 网络?

如果用标志性能力和关键技术来定义每一代移动通信网络,5G 网络关键能力极为丰富:用户能体验到 0.1-1Gbps 的下行速率,毫秒级的端到端时延,每小时 500 公里以上的高速移动特性,容纳海量设备入网。关键技术将会在后文详细说明,下面通过与 4G 对比、5G 之花,看看 5G 到底能给我们带来什么新的体验突破。

  

 

从对比数据来看,理论峰值速度往往设定得比较高,当网络大规模商用后,由于高连接数密度导致基站出现饱和现象,实测速率急剧下降,通常只有峰值速度 1/3。另一方面从 5G 白皮书给出的 5G 之花可以了解,对比 4G 网络,5G 网络在用户体验速率和流量密度上有了质的飞跃。即便是按照 1/3 的关系换算,5G 的日常体验速率也能发挥到 350Mbps。当然不排除 5G 后续演进会给予我们更多惊喜。

  

中国提出的 5G 之花

  

需求在何方?

目前我们认为 5G 网络的主要驱动力来源于:

  

1、物联网。未来移动通信发展方向,扩展了移动通信的服务范围,从以前人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联,使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域,入网设备也因此爆发式增长。例如智能家居、智能汽车、智能传感器都将接入移动通信网,为用户提供服务。

  

2、在未来几十年,移动数据流量将出现爆炸式增长。预计 2010 年到 2020 年全球移动数移动数据流量会出现高速增长,而且在中国增速高于全球平均水平。

  

3、业务和用户需求。在未来,4k 视频、3D 和浸入式视频的流行将会使得数据流量大幅提升,VR 虚拟现实、云桌面等业务,不仅对上下行数据传输速率提出挑战,同时也对超低时延、高速移动情况下保持数据连接提出了苛刻要求。

 

 

5G 什么时候实现?

2015 年在瑞士日内瓦召开的无线电通信全会上正式确定了 5G 的法定名称是“IMT-2020”。早在三年前,国际电信联盟 ITU 已启动了面向 5G 标准的研究工作,并明确了工作计划。3GPP 作为国际移动通信行业的主要标准组织,将承担 5G 国际标准技术内容的制定工作。

  

5G 标准实施时间

  

尽管目前各大通信巨头进行技术上研发以及 5G 技术标准之间的相互博弈,都希望本公司的技术和专利被纳入标准之内,以便获得后续巨大利益。总体来说 5G 标准制定工作处于落后阶段,5G 商业化依然无期。

  

5G 有什么关键无线技术?

既然 5G 标准还未确定,那么到底有哪些具有潜力的候选技术呢?在无线核心技术领域,大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入这四个技术是最为热门的关键技术。

  

5G 关键技术

 

在前文提及,按照 5G 规划的用户体验速率会高达 0.1-1Gbps。如果把数据比喻成一辆辆车,带宽就好比是道路宽度,最大速率是道路的最大车流量。显然易见,增加车道数是提高最大车流量最直接有效的方法。同样的,提高速率的最简单粗暴的方法就是增加带宽。

  

道路拥堵解决方案

  

 

3.5GHz 频段

应用高带宽的核心方法就是采用更高的频段,同时从已经分配好的频谱资源来看,2.5GHz 以下的频谱资源已经几乎被利用完。

  

中国无线电频谱分配

 

因此目前最被看好的 5G 频段是 3.5GHz,也是国际上的热点频段。欧洲、美国、日本也都在进行 3.5GHz 频段的技术试验,目前中国移动对 3.5GHz 这个频段进行多种测试验证可行性。

  

各国 3.5GHz 频道应用

  

毫米波

高带宽必须依托着高频段,那么 5G 就很可能会使用超高频段。根据物理公式 c=λf,30GHz 以上的频段,其波长缩短至毫米级别,称为毫米波。能提供 Gbps 级别传输速率,完全满足 5G 的指标需求。

  

波长与频率关系

  

 

微基站

日常生活中,如果我们进入一些大厦阴暗角落或者是密集多层结构的建筑里面,我们的手机往往没有 4G 信号,只剩下 2G 网络。这是因为对于电磁波频率越高,绕射能力越弱,2G 频段在 0.9GHz,4G 频段都在 1.7GHz 以上,而 5G 使用的频率会更高,绕射能力直线下降,信号只能直射而且传播距离十分有限,将传统上使用的大型宏基站改用站点更多、密度更大的微基站,是解决毫米波直线传播、传播距离有限的终极方案。

  

高频段绕射解决方案

  

大规模阵列天线

电磁波波长缩短到毫米波,也对天线尺寸造成影响。据天线设计理论:线尺寸为波长的 1/10~1/4 之间,其天线增益和辐射效率达到最大。使用毫米波后,天线尺寸也变为毫米级,可以在以前相同面积设备内布置更多的天线。通信基站可以采用大规模阵列天线,极大地提升了频率效率、用户体验、传输可靠性。

  

瑞典隆德大学开发的 128 阵列天线实验机

 

高阶 MIMO

引入阵列天线后,又给高阶 MIMO 技术的实现带来了新的可能。应用 MIMO 技术可以进行一对多的并行通信,每一对天线都独立传送一路信息,这样就可以成倍提高速率,同时同频地提供服务从而大幅提升系统容量以及系统覆盖范围。

  

高阶 MIMO 技术

  

 

波束赋形

利用通信基站的阵列天线,通过对射频信号相位的进行控制,使得干涉以后的电磁波的波瓣变得非常狭窄,由灯泡模式变成有指向性的手电筒模式,并指向它所提供服务的手机,还能跟据手机的移动而转变方向。在 5G 入网设备数量成百上千倍增加的情况下,这种波束赋形技术所能带来的容量增加就显得非常有价值。

  

电磁波水平方法辐射图

  

多载波聚合

将十分零散的载波信号通过转换组合成一个具有宽频带的新载波进行数据传输,配合上 MIMO 和波束赋形技术使用,有效提高频谱效率和传输速率。在未来的 5G 中,聚合波段远远不止三个,速率前所未有。

  

载波聚合示意图

  

非正交多址技术

多址接入技术是指移动通信系统中,使所有的用户共享有限的无线资源,并实现不同用户不同地点同时通信并尽可能减少干扰的目的。为了进一步提升 5G 的频谱效率和传输容量,提出了全新的非正交多址技术。其可以理解为 OFDM 的基础上增加了一个功率域维度。新增功率域可以让系统利用每个用户不同的路径损耗来实现多用户复用,提高系统容量和鲁棒性。

  

正交与非正交多址技术

 

对 5G 网络,你有什么期待?

作为用户的我们,可以利用下一代移动通信网络做哪些曾经不敢想象的事情呢?根据 5G 的关键指标,可以大胆地推测,5G 将会实现信息随心至,万物触手及。

  

1、优秀的移动互联网体验

·超高速率下,仅需要几秒即可下载一部高清电影。

  

·超低延迟下,即使用移动网络也能轻松应付如 LOL 竞技类对时延要求极为苛刻的游戏。

  

·超高移动速度,在高铁上也能愉快地打电话浏览互联网资讯。

  

2、万物互联 

我们所有的智能设备都支持直接接入移动网络中,不需用每天蓝牙同步到手机终端如此麻烦,所有数据自动上传到终端,以图形化形式展示。车联网、智能家居更不再话下,甚至可以用 5G 网络快速搭建远程医疗环境,远程操作例如达芬奇医疗机器人进行手术。

  

3、云、VR 的未来

高速网络的可以让我们不用下载软件、游戏,一切都在云端实现。在线播放超高清视频,甚至可以无线支持现在非常火爆的 VR 虚拟现实技术,甩掉那又长又累赘的数据线。