基本概念

5g-第五代移動(dòng)通信技術(shù)

5g-第五代移動(dòng)通信技術(shù)

第五代移動(dòng)電話行動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，也稱第五代移動(dòng)通信技術(shù)，外語縮寫：5G。也是4G之后的延伸，正在研究中，網(wǎng)速可達(dá)5M/S - 6M/S .

諾基亞與加拿大運(yùn)營商Bell Canada合作，完成加拿大首次5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的測(cè)試。測(cè)試中使用了73GHz范圍內(nèi)頻譜，數(shù)據(jù)傳輸速率為加拿大現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的6倍。鑒于兩者的合作，外界分析加拿大很有可能將在5年內(nèi)啟動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)的全面部署。

由于物聯(lián)網(wǎng)尤其是互聯(lián)網(wǎng)汽車等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度有著更高的要求，這無疑成為推動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要因素。因此無論是加拿大政府還是全球各地，均在大力推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)，以迎接下一波科技浪潮。不過，從目前情況來看5G網(wǎng)絡(luò)離商用預(yù)計(jì)還需4到5年時(shí)間。

折疊編輯本段發(fā)展?fàn)顩r

2013年2月，歐盟宣布，將撥款5000萬歐元。加快5G移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)劃到2020年推出成熟的標(biāo)準(zhǔn)。

2013年5月13日，韓國三星電子有限公司宣布，已成功開發(fā)第5代移動(dòng)通信（5G）的核心技術(shù)，這一技術(shù)預(yù)計(jì)將于2020年開始推向商業(yè)化。該技術(shù)可在28GHz超高頻段以每秒1Gbps以上的速度傳送數(shù)據(jù)，且最長傳送距離可達(dá)2公里。相比之下，當(dāng)前的第四代長期演進(jìn)（4GLTE）服務(wù)的傳輸速率僅為75Mbps。而此前這一傳輸瓶頸被業(yè)界普遍認(rèn)為是一個(gè)技術(shù)難題，而三星電子則利用64個(gè)天線單元的自適應(yīng)陣列傳輸技術(shù)破解了這一難題。與韓國目前4G技術(shù)的傳送速度相比，5G技術(shù)預(yù)計(jì)可提供比4G長期演進(jìn)（LTE）快100倍的速度。利用這一技術(shù)，下載一部高畫質(zhì)（HD）電影只需十秒鐘。

早在2009年，華為就已經(jīng)展開了相關(guān)技術(shù)的早期研究，并在之后的幾年里向外界展示了5G原型機(jī)基站。華為在2013年11月6日宣布將在2018年前投資6億美元對(duì)5G的技術(shù)進(jìn)行研發(fā)與創(chuàng)新，并預(yù)言在2020年用戶會(huì)享受到20Gbps的商用5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

2014年5月8日，日本電信營運(yùn)商 NTT DoCoMo 正式宣布將與 Ericsson、Nokia、Samsung 等六家廠商共同合作，開始測(cè)試凌駕現(xiàn)有 4G 網(wǎng)絡(luò) 1000 倍網(wǎng)絡(luò)承載能力的高速 5G 網(wǎng)絡(luò)，傳輸速度可望提升至 10Gbps。預(yù)計(jì)在2015年展開戶外測(cè)試，并期望于 2020 年開始運(yùn)作。

2015年3月1日，英國《每日郵報(bào)》報(bào)道，英國已成功研制5G網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行100米內(nèi)的傳送數(shù)據(jù)測(cè)試，每秒數(shù)據(jù)傳輸高達(dá)125GB，是4G網(wǎng)絡(luò)的6.5萬倍，理論上1秒鐘可下載30部電影，并稱于2018年投入公眾測(cè)試，2020年正式投入商用。

2015年3月3日，歐盟數(shù)字經(jīng)濟(jì)和社會(huì)委員古澤·奧廷格正式公布了歐盟的5G公司合作愿景，力求確保歐洲在下一代移動(dòng)技術(shù)全球標(biāo)準(zhǔn)中的話語權(quán)。奧廷格表示，5G公私合作愿景不僅涉及光纖、無線甚至衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)相互整合，還將利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN ）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）、移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）和霧計(jì)算(Fog Computing)等技術(shù)。在頻譜領(lǐng)域，歐盟的5G公私合作愿景還將劃定數(shù)百兆赫用于提升網(wǎng)絡(luò)性能，60 GHz及更高頻率的頻段也將被納入考慮。

歐盟的5G網(wǎng)絡(luò)將在2020年~2025年之間投入運(yùn)營。

2015年9月7日，美國移動(dòng)運(yùn)營商Verizon無線公司宣布，將從2016年開始試用5G網(wǎng)絡(luò)，2017年在美國部分城市全面商用。

我國5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)將在2016-2018年進(jìn)行，分為5G關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)、5G技術(shù)方案驗(yàn)證和5G系統(tǒng)驗(yàn)證三個(gè)階段實(shí)施。

2016年3月，工信部副部長陳肇雄表示：5G是新一代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要方向，是未來新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。與4G相比，不僅將進(jìn)一步提升用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，同時(shí)還將滿足未來萬物互聯(lián)的應(yīng)用需求。

2017年2月9日，國際通信標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP宣布了“5G”的官方 Logo。[8]

2017年7月6日，中國移動(dòng)5G北京試驗(yàn)網(wǎng)啟動(dòng)會(huì)召開，會(huì)議標(biāo)志著由大唐電信集團(tuán)建設(shè)的5G北京試驗(yàn)網(wǎng)正式啟動(dòng)。2017年在北京、上海、廣州、蘇州、寧波5個(gè)城市啟動(dòng)5G試驗(yàn)，驗(yàn)證3.5GHz組網(wǎng)關(guān)鍵性能，以2020年商用為目標(biāo)，為5G時(shí)代的引領(lǐng)做出貢獻(xiàn)。[10]

折疊編輯本段五大技術(shù)

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(diǎn)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。[9]

折疊毫米波

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(yàn)。

那么5G提供的幾十個(gè)Gbps峰值速度如何實(shí)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(dá)到了1GHz，而60GHz頻段每個(gè)信道的可用信號(hào)帶寬則為2GHz。

在移動(dòng)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(dá)系統(tǒng)上被應(yīng)用，但現(xiàn)在已經(jīng)有運(yùn)營商開始使用毫米波在基站之間做測(cè)試。

當(dāng)然，毫米波最大的缺點(diǎn)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。

折疊小基站

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?yàn)楹撩撞ǖ念l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(dòng)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(shì)，它可以覆蓋大基站無法觸及的末梢通信。

因?yàn)轶w積的大幅縮小，我們?cè)O(shè)置可以在250米左右部署一個(gè)小基站，這樣排列下來，運(yùn)營商可以在每個(gè)城市中部署數(shù)千個(gè)小基站以形成密集網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)基站可以從其它基站接收信號(hào)并向任何位置的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)然，你大可不必?fù)?dān)心功耗問題，雷鋒網(wǎng)之前曾報(bào)道過：小基站不僅在規(guī)模上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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)。

折疊MassiveMIMO

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(shí)從更多用戶發(fā)送和接收信號(hào)，從而將移動(dòng)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(shí)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(shí)驗(yàn)室和幾個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中進(jìn)行了測(cè)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(dāng)傳統(tǒng)系統(tǒng)使用時(shí)域或頻域?yàn)椴煌脩糁g實(shí)現(xiàn)資源共享時(shí)，Massive MIMO則導(dǎo)入了空間域(spatial domain)的途徑，其方式是在基地臺(tái)采用大量的天線以及為其進(jìn)行同步處理，如此則可同時(shí)在頻譜效益與能源效率方面取得幾十倍的增益?！?/p>

毋庸置疑，Massive MIMO是5G能否實(shí)現(xiàn)商用的關(guān)鍵技術(shù)，但是多天線也勢(shì)必會(huì)帶來更多的干擾，而波束成形就是解決這一問題的關(guān)鍵。

折疊波束成形

Massive MIMO的主要挑戰(zhàn)是減少干擾，但正是因?yàn)镸assive MIMO技術(shù)每個(gè)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(gè)電磁波的空間互相抵消或者增強(qiáng)，就可以形成一個(gè)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(jìn)行傳輸，不僅傳輸距離更遠(yuǎn)了，而且還避免了信號(hào)的干擾，這種將無線信號(hào)(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(shì)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(shí)從多個(gè)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(hào)處理算法來計(jì)算出信號(hào)的傳輸?shù)淖罴崖窂?，并且最終移動(dòng)終端的位置。因此，波束成形可以解決毫米波信號(hào)被障礙物阻擋以及遠(yuǎn)距離衰減的問題。

除此之外,筆者最后要提到5G的另一大特色——全雙工技術(shù)。

折疊全雙工

全雙工技術(shù)是指設(shè)備的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)占用相同的頻率資源同時(shí)進(jìn)行工作，使得通信兩端在上、下行可以在相同時(shí)間使用相同的頻率，突破了現(xiàn)有的頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)模式，這是通信節(jié)點(diǎn)實(shí)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(shí)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(dòng)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(jì)，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(jì)問題，比如編碼、調(diào)制、同步、檢測(cè)、偵聽、沖突避免、ACK等，尤其是針對(duì)MIMO的物理層優(yōu)化。

3.對(duì)全雙工和半雙工之間動(dòng)態(tài)切換的控制面優(yōu)化，以及對(duì)現(xiàn)有幀結(jié)構(gòu)和控制信令的優(yōu)化問題。