了解5G的關(guān)鍵技術(shù)和有著什么意義？

據(jù)坊間爆料，Nokia與T-Mobile US 簽署了一份合作協(xié)議，涉資35億美元（約折合人民幣239億元），這是截止目前所達(dá)成的全球移動(dòng)通信行業(yè)里最大的一份5G訂單。在這之前的2018年6月13日， 3GPP 5G NR標(biāo)準(zhǔn) SA方案正式完成并發(fā)布，標(biāo)志著首個(gè)真正完整意義的國(guó)際5G標(biāo)準(zhǔn)出爐，也標(biāo)志著首個(gè)面向商用的5G標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。

“5G”，真的來了。

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。其峰值理論傳輸速度可達(dá)每秒數(shù)十Gb，這比4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度快數(shù)百倍。

前幾代的通訊技術(shù)比較

第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（1G）

第1代移動(dòng)通信系統(tǒng)（1G）是模擬式通信系統(tǒng)，模擬式是代表在無線傳輸采用模擬式的FM調(diào)制，將介于300Hz到3400Hz的語音轉(zhuǎn)換到高頻的載波頻率MHz上。

第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G）

從1G跨入2G的分水嶺則是從模擬調(diào)制進(jìn)入到數(shù)字調(diào)制，第二代移動(dòng)通信具備高度的保密性，系統(tǒng)的容量也在增加，同時(shí)能夠提高多種業(yè)務(wù)服務(wù)。但那個(gè)時(shí)代GSM的網(wǎng)速僅有9.6KB/s。

第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）

國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了官方第3代移動(dòng)通信（3G）標(biāo)準(zhǔn)IMT-2000（國(guó)際移動(dòng)通信2000標(biāo)準(zhǔn)）。3G存在四種標(biāo)準(zhǔn)式，分別是CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。

第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）

4G包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，是集3G與WLAN于一體，并能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量、音頻、視頻和圖像.4G能夠以100Mbps以上的速度下載，并能夠滿足幾乎所有用戶對(duì)于無線服務(wù)的要求。

5G的意義

1G主要解決語音通信的問題；2G可支持窄帶的分組數(shù)據(jù)通信，最高理論速率為236kbps；3G在2G的基礎(chǔ)上，發(fā)展了諸如圖像、音樂、視頻流的高帶寬多媒體通信；4G是專為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計(jì)的通信技術(shù)，從網(wǎng)速、容量、穩(wěn)定性上都有極大的提升；

那么，5G將會(huì)帶來什么？

1、通過引入新的無線傳輸技術(shù)將資源利用率在4G的基礎(chǔ)上提高10倍以上；

2、通過引入新的體系結(jié)構(gòu)(如超密集小區(qū)結(jié)構(gòu)等)和更加深度的智能化能力將整個(gè)系統(tǒng)的吞吐率提高25倍左右；

3、進(jìn)一步挖掘新的頻率資源(如高頻段、毫米波與可見光等),使未來無線移動(dòng)通信的頻率資源擴(kuò)展4倍左右；

5G的關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)一：高頻段傳輸

移動(dòng)通信傳統(tǒng)工作頻段主要集中在3GHz以下，這使得頻譜資源十分擁擠，而在高頻段(如毫米波、厘米波頻段)可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，可以實(shí)現(xiàn)極高速短距離通信，支持5G容量和傳輸速率等方面的需求。

高頻段在移動(dòng)通信中的應(yīng)用是未來的發(fā)展趨勢(shì)，業(yè)界對(duì)此高度關(guān)注。足夠量的可用帶寬、小型化的天線和設(shè)備、較高的天線增益是高頻段毫米波移動(dòng)通信的主要優(yōu)點(diǎn)，但也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影響等缺點(diǎn)。射頻器件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的問題也有待進(jìn)一步研究和解決。

監(jiān)測(cè)高頻段資源雖然目前較為豐富，但是仍需要進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，統(tǒng)籌兼顧，從而使寶貴的頻譜資源得到最優(yōu)配置。

關(guān)鍵技術(shù)二：新型多天線傳輸

多天線技術(shù)經(jīng)歷了從無源到有源，從二維(2D)到三維(3D)，從高階MIMO到大規(guī)模陣列的發(fā)展，將有望實(shí)現(xiàn)頻譜效率提升數(shù)十倍甚至更高，是目前5G技術(shù)重要的研究方向之一。

由于引入了有源天線陣列，基站側(cè)可支持的協(xié)作天線數(shù)量將達(dá)到128根。此外，原來的2D天線陣列拓展成為3D天線陣列，形成新穎的3D-MIMO技術(shù)，支持多用戶波束智能賦型，減少用戶間干擾，結(jié)合高頻段毫米波技術(shù)，將進(jìn)一步改善無線信號(hào)覆蓋性能。

目前研究人員正在針對(duì)大規(guī)模天線信道測(cè)量與建模、陣列設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)、導(dǎo)頻信道、碼本及反饋機(jī)制等問題進(jìn)行研究，未來將支持更多的用戶空分多址(SDMA)，顯著降低發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能，提升覆蓋能力。

關(guān)鍵技術(shù)三：同時(shí)同頻全雙工

最近幾年，同時(shí)同頻全雙工技術(shù)吸引了業(yè)界的注意力。利用該技術(shù)，在相同的頻譜上，通信的收發(fā)雙方同時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)，與傳統(tǒng)的TDD和FDD雙工方式相比，從理論上可使空口頻譜效率提高1倍。

全雙工技術(shù)能夠突破FDD和TDD方式的頻譜資源使用限制，使得頻譜資源的使用更加靈活。然而，全雙工技術(shù)需要具備極高的干擾消除能力，這對(duì)干擾消除技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)，同時(shí)還存在相鄰小區(qū)同頻干擾問題。在多天線及組網(wǎng)場(chǎng)景下，全雙工技術(shù)的應(yīng)用難度更大。

關(guān)鍵技術(shù)四：D2D

傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式是以基站為中心實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站及中繼站無法移動(dòng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在靈活度上有一定的限制。隨著無線多媒體業(yè)務(wù)不斷增多，傳統(tǒng)的以基站為中心的業(yè)務(wù)提供方式已無法滿足海量用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求。

D2D技術(shù)無需借助基站的幫助就能夠?qū)崿F(xiàn)通信終端之間的直接通信，拓展網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式。由于短距離直接通信，信道質(zhì)量高，D2D能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時(shí)延和較低的功耗；通過廣泛分布的終端，能夠改善覆蓋，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用；支持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法，提升鏈路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。目前，D2D采用廣播、組播和單播技術(shù)方案，未來將發(fā)展其增強(qiáng)技術(shù)，包括基于D2D的中繼技術(shù)、多天線技術(shù)和聯(lián)合編碼技術(shù)等。

關(guān)鍵技術(shù)五：密集網(wǎng)絡(luò)

在未來的5G通信中，無線通信網(wǎng)絡(luò)正朝著網(wǎng)絡(luò)多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向演進(jìn)。隨著各種智能終端的普及，數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)井噴式的增長(zhǎng)。未來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將主要分布在室內(nèi)和熱點(diǎn)地區(qū)，這使得超密集網(wǎng)絡(luò)成為實(shí)現(xiàn)未來5G的1000倍流量需求的主要手段之一。

超密集網(wǎng)絡(luò)能夠改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，大幅度提升系統(tǒng)容量，并且對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分流，具有更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的頻率復(fù)用。未來，面向高頻段大帶寬，將采用更加密集的網(wǎng)絡(luò)方案，部署小小區(qū)/扇區(qū)將高達(dá)100個(gè)以上。

與此同時(shí)，愈發(fā)密集的網(wǎng)絡(luò)部署也使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓訌?fù)雜，小區(qū)間干擾已經(jīng)成為制約系統(tǒng)容量增長(zhǎng)的主要因素，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)能效。干擾消除、小區(qū)快速發(fā)現(xiàn)、密集小區(qū)間協(xié)作、基于終端能力提升的移動(dòng)性增強(qiáng)方案等，都是目前密集網(wǎng)絡(luò)方面的研究熱點(diǎn)。

關(guān)鍵技術(shù)六：新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，LTE接入網(wǎng)采用網(wǎng)絡(luò)扁平化架構(gòu)，減小了系統(tǒng)時(shí)延，降低了建網(wǎng)成本和維護(hù)成本。未來5G可能采用C-RAN接入網(wǎng)架構(gòu)。C-RAN是基于集中化處理、協(xié)作式無線電和實(shí)時(shí)云計(jì)算構(gòu)架的綠色無線接入網(wǎng)構(gòu)架。C-RAN的基本思想是通過充分利用低成本高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)，直接在遠(yuǎn)端天線和集中化的中心節(jié)點(diǎn)間傳送無線信號(hào)，以構(gòu)建覆蓋上百個(gè)基站服務(wù)區(qū)域，甚至上百平方公里的無線接入系統(tǒng)。C-RAN架構(gòu)適于采用協(xié)同技術(shù)，能夠減小干擾，降低功耗，提升頻譜效率，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)使用的智能化組網(wǎng)，集中處理有利于降低成本，便于維護(hù)，減少運(yùn)營(yíng)支出。目前的研究?jī)?nèi)容包括C-RAN的架構(gòu)和功能，如集中控制、基帶池RRU接口定義、基于C-RAN的更緊密協(xié)作，如基站簇、虛擬小區(qū)等。

5G的應(yīng)用領(lǐng)域

5G并不是獨(dú)立的、全新的無線接入技術(shù)，而是對(duì)現(xiàn)有(包括2G、3G、4G和WiFi)的技術(shù)演進(jìn)。依據(jù)5G的特點(diǎn)以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃，將5G分為三大應(yīng)用場(chǎng)景：eMMB(即enhanced Mobile BroadBand，增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬)、mMTC(即Massive Machine Type Communication，海量機(jī)器類通信)和uRLLC(即Ultra-Reliable Low Latency Connection，超可靠低時(shí)延通信)

eMMB——增強(qiáng)移動(dòng)帶寬，保證大量數(shù)據(jù)傳輸

增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬主要表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)容量的提升，支持不同的設(shè)備同時(shí)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳輸，帶寬增強(qiáng)也意味著傳輸速率增加。超大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及更快的速率使得用戶能夠獲得更好的用戶體驗(yàn)。該應(yīng)用場(chǎng)景包括AR/VR、社交網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)、無線家庭娛樂等一些需要超高清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域。

AR/VR

最典型的應(yīng)用場(chǎng)景就是AR/VR，該應(yīng)用對(duì)帶寬的需求是巨大的，需要大量的數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和計(jì)算功能，超高體驗(yàn)的游戲和建模、實(shí)時(shí)渲染和下載以及需要高達(dá)100Mbps至9.4Gbps的大帶寬，當(dāng)前主要用在游戲、廣告等領(lǐng)域。

社交網(wǎng)絡(luò)

移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)不斷發(fā)展，一些領(lǐng)先的社交網(wǎng)絡(luò)推出直播視頻。為了保證實(shí)時(shí)的互動(dòng)性，1對(duì)多的用戶交流，需要超大帶寬以及超高速進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸，流媒體錄像設(shè)備從手機(jī)攝像頭發(fā)展到了360°全景直播。

無線家庭娛樂

無線家庭娛樂(如家庭監(jiān)控，流媒體和云游戲)同樣受益于5G。帶寬越高，視頻流質(zhì)量越好，5G有望提供響應(yīng)式和沉浸式的4K游戲體驗(yàn)，使大部分家庭的數(shù)據(jù)速率高于75 Mbps，延遲低于10毫秒。

mMTC——海量機(jī)器類通信，大量設(shè)備接入，數(shù)據(jù)傳輸

海量機(jī)器類通信主要體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。其實(shí)，物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備很簡(jiǎn)單，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息量也不大。海量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸是5G相對(duì)于前幾代通信技術(shù)的一個(gè)全新的應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)用場(chǎng)景大致分為以下幾種：智慧農(nóng)業(yè)(土地、農(nóng)作物以及天氣數(shù)據(jù))、智慧城市(實(shí)體基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備連接)、智能制造(機(jī)器人控制、零部件監(jiān)測(cè))、智能家居等，在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，我們可以看到5G變革性的影響。

智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)需要海量的數(shù)據(jù)傳輸，如土壤溫濕度數(shù)據(jù)、農(nóng)作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)、空氣二氧化碳、氧氣濃度數(shù)據(jù)等，5G有望實(shí)現(xiàn)大量的傳感器數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)情況。

智慧城市

智慧城市涉及各個(gè)方面，包括智能電網(wǎng)、智慧樓宇、智能交通等，將變電站、電能表、樓宇安防、交通信號(hào)燈等設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)海量設(shè)備的通信要求。

智能家居

智能家居將電視、音箱、冰箱以及窗簾等家庭智能硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過智能家居的控制中心和樞紐，實(shí)現(xiàn)家庭硬件設(shè)備智能化。

uRLLC——超可靠、低時(shí)延，傳輸速度快、穩(wěn)定可靠

相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)，由于采用了“自包含集成子幀”、可伸縮傳輸時(shí)間間隔等新技術(shù)，傳輸延遲顯著降低，最低可低至1ms，同時(shí)可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于4G，因此該應(yīng)用場(chǎng)景可以用在那些對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延很敏感以及對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性很高的領(lǐng)域，比如車輛網(wǎng)(自動(dòng)駕駛)、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷(實(shí)時(shí)傳輸、超低時(shí)延)、無人機(jī)(巡檢和安防)以及智慧能源(饋線自動(dòng)化系統(tǒng))等。

自動(dòng)駕駛

驅(qū)動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵技術(shù)——自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程控制等，需要安全、可靠、低延遲和高帶寬的連接，這些連接特性在高速公路和密集城市中至關(guān)重要，只有5G才能滿足這樣嚴(yán)格的要求。

遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷

具備力反饋的遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷需要低延遲的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境才能滿足要求。像無線內(nèi)窺鏡和超聲波這樣的遠(yuǎn)程診斷依賴于設(shè)備終端和患者之間的交互作用。遠(yuǎn)程診斷是一類特別的應(yīng)用，尤其依賴5G網(wǎng)絡(luò)的低延遲和高QoS保障特性。

智慧能源

智慧能源——饋線自動(dòng)化(FA)系統(tǒng)對(duì)可再生能源具有特別重要的價(jià)值，需要超低時(shí)延的通信網(wǎng)絡(luò)支撐。通過為能源供應(yīng)商提供智能分布式饋線系統(tǒng)所需的專用網(wǎng)絡(luò)切片，能夠進(jìn)行智能分析并實(shí)時(shí)響應(yīng)異常信息，從而實(shí)現(xiàn)更快速準(zhǔn)確的電網(wǎng)控制。

以上只是大概說明了當(dāng)前5G的三大場(chǎng)景可應(yīng)用的領(lǐng)域，但5G未來的潛力不只限于這些。隨著時(shí)間的推移，還會(huì)出現(xiàn)更多的應(yīng)用場(chǎng)景。在現(xiàn)階段，只有eMMB完成了國(guó)際的標(biāo)準(zhǔn)制定，其余均處于標(biāo)準(zhǔn)商討階段，預(yù)計(jì)2019年底，實(shí)現(xiàn)5G標(biāo)準(zhǔn)的全面凍結(jié)。5G的發(fā)展支撐著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的需求促進(jìn)著5G技術(shù)的進(jìn)步，如何將5G技術(shù)應(yīng)用于更多的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，也許才是真正需要關(guān)注的重點(diǎn)。