4G剛剛普及，5G已經來了，你準備好了嗎？

最新 09-21

文感測器技術（WW_CGQJS）

上周，當所有人都沉浸在iPhone 8的消息中時，一條德國電信發布的消息，席捲並震驚了整個歐洲——中國華為，正式推出5G網路！

據報道，德國電信已經正式宣布聯合華為公司推出全球首個5G商用網路。這是全球第一個推出完整5G網路技術的政府和企業。

通信世界的演化很快，幾乎10年就是一個時代，從上世紀90年代的2G，到2010年左右興起的4G。這個行業雲集了世界上最聰明的一群人，鑽研著最頂尖的技術，為社會帶來無盡的便利和福祉。近代人類社會的演進伴隨的就是通信技術的演進，從最開始的電報，電話，到近代的移動通信技術，正是溝通便捷讓加快了歷史的進程。

什麼是5G網路？

第五代移動通信技術（5G），是4G之後的延伸。下一代移動通信網路（NGMN）聯盟對5G的定義如下：「5G是一個端對端的生態系統，可帶來一個全面移動和聯網的設備。通過由可持續商業模式開啟的、具備連貫體驗的現有和新型的用例，它增強了面向消費者合作者的價值創造。」

如果用標誌性能力和關鍵技術來定義每一代移動通信網路，5G網路關鍵能力極為豐富：用戶能體驗到0.1-1Gbps的下行速率，毫秒級的端到端時延，每小時500公里以上的高速移動特性，容納海量設備入網。下面通過與4G對比、5G之花，看看5G到底能給我們帶來什麼新的體驗突破。

從對比數據來看，理論峰值速度往往設定得比較高，當網路大規模商用後，由於高連接數密度導致基站出現飽和現象，實測速率急劇下降，通常只有峰值速度1/3。另一方面從5G白皮書給出的5G之花可以了解，對比4G網路，5G網路在用戶體驗速率和流量密度上有了質的飛躍。即便是按照1/3的關係換算，5G的日常體驗速率也能發揮到350Mbps。當然不排除5G後續演進會給予我們更多驚喜。

5G網路的主要特徵

5G網路主要有三大特點：極高的速率，極大的容量，極低的時延。

高速率

5G可以說是站在巨人的肩膀上，依託4G良好的技術架構，5G可以比較方便的在其基礎之上構建新的技術。未來的5G願景最強烈的一個方面就是用戶體驗到的網路速率。4G現在已經很快了，但是還不夠，5G要做到的目標是最大10Gbps。

10Gbps是如何做到的呢？現在的移動網路工作在相對較低的頻段，低頻段的好處的是傳播性能優越，可以使運營商用較少的成本（少量基站）達到很好的覆蓋。但是有一點不足就是低頻段的連續頻率資源非常寶貴，在國外各大運營商會通過競標的方式購買頻段的使用權，而在我們國家是政府分配。在4G LTE中單個載波最大的頻率範圍是20MHz，通過載波聚合技術可以將多個非連續的載波合起來使用達到更高的速率，但是這樣還依然不夠。5G的一個特點就是高頻，受限於高頻的傳播性能，所以很多的高頻段頻率資源沒有被使用，這正是5G可以好好利用的資源。

但是如何解決高頻通信的傳播問題呢？這就輪到大規模天線（massive MIMO）登場的時候了，高頻資源的頻率很高，波長就很短（毫米波），那麼在天線設計的時候可以做到天線陣子和他們之間的距離很小，就可以在很小的範圍內集成天線陣列。天線陣子數量的增加可以帶來額外的增益，結合波束賦形，波束追蹤技術以彌補高頻通信在傳播上的受限。

大容量

物聯網這個話題最近幾年來一直佔據著熱門，但是受限於終端的功耗以及無線網路的覆蓋，廣域物聯網仍處於萌芽的狀態，伴隨著5G網路的出現，可以預見未來它必將大熱。5G將會通過什麼技術手段來支持物聯網技術的發展呢？

首先看看它將如何解決物聯網技術的核心問題：功耗問題是困擾著物聯網技術發展的最大障礙，因為物聯網的節點太多，而且由於很多條件的限制，終端沒有辦法充電，只有通過初次裝入電池，寄希望於終端自身能夠節省電能，使用越久越好。

為了解決這個問題3GPP專門推出了針對廣域物聯網的窄帶物聯網技術，通過限定終端的速率（物聯網終端對通信的實時性一般不高），降低使用帶寬，降低終端發射功率，降低天線複雜度（SISO），優化物理層技術（HARQ，降低盲編碼嘗試），半雙工使終端的耗電量降低。

而5G還會在這個基礎上走得更遠，通過降低信令開銷使終端更加省電，使用非正交多址技術以支持更多的終端接入。

低時延高可靠

LTE網路的出現使移動網路的時延邁進了100ms的關口，使對實時性要求比較高的應用如遊戲，視頻，數據電話成為可能。而5G網路的出現，將會使時延降到更低，會為更多對時延要求極致的應用提供生長的土囊。

降低時延的技術原理：LTE中的一個TTI是1ms，而5G將通過對幀結構的優化設計，將每個子幀在時域上進行縮短從而在物理層上進行時延的優化。相信在後期5G信令的設計上也會採用以降低時延為目標的信令結構優化。

5G的關鍵無線技術

3.5GHz頻段

應用高帶寬的核心方法就是採用更高的頻段，同時從已經分配好的頻譜資源來看，2.5GHz以下的頻譜資源已經幾乎被利用完。

因此目前最被看好的5G頻段是3.5GHz，也是國際上的熱點頻段。歐洲、美國、日本也都在進行3.5GHz頻段的技術試驗，目前中國移動對3.5GHz這個頻段進行多種測試驗證可行性。

毫米波

高帶寬必須依託著高頻段，那麼5G就很可能會使用超高頻段。根據物理公式c=λf，30GHz以上的頻段，其波長縮短至毫米級別，稱為毫米波。能提供Gbps級別傳輸速率，完全滿足5G的指標需求。

微基站

日常生活中，如果我們進入一些大廈陰暗角落或者是密集多層結構的建築裡面，我們的手機往往沒有4G信號，只剩下2G網路。這是因為對於電磁波頻率越高，繞射能力越弱，2G頻段在0.9GHz，4G頻段都在1.7GHz以上，而5G使用的頻率會更高，繞射能力直線下降，信號只能直射而且傳播距離十分有限，將傳統上使用的大型宏基站改用站點更多、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。

大規模陣列天線

電磁波波長縮短到毫米波，也對天線尺寸造成影響。據天線設計理論：線尺寸為波長的1/10~1/4之間，其天線增益和輻射效率達到最大。使用毫米波後，天線尺寸也變為毫米級，可以在以前相同面積設備內布置更多的天線。通信基站可以採用大規模陣列天線，極大地提升了頻率效率、用戶體驗、傳輸可靠性。

高階MIMO

引入陣列天線後，又給高階MIMO技術的實現帶來了新的可能。應用MIMO技術可以進行一對多的並行通信，每一對天線都獨立傳送一路信息，這樣就可以成倍提高速率，同時同頻地提供服務從而大幅提升系統容量以及系統覆蓋範圍。

波束賦形

利用通信基站的陣列天線，通過對射頻信號相位的進行控制，使得干涉以後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，並指向它所提供服務的手機，還能跟據手機的移動而轉變方向。在5G入網設備數量成百上千倍增加的情況下，這種波束賦形技術所能帶來的容量增加就顯得非常有價值。

多載波聚合

將十分零散的載波信號通過轉換組合成一個具有寬頻帶的新載波進行數據傳輸，配合上MIMO和波束賦形技術使用，有效提高頻譜效率和傳輸速率。在未來的5G中，聚合波段遠遠不止三個，速率前所未有。

非正交多址技術

多址接入技術是指移動通信系統中，使所有的用戶共享有限的無線資源，並實現不同用戶不同地點同時通信並儘可能減少干擾的目的。為了進一步提升5G的頻譜效率和傳輸容量，提出了全新的非正交多址技術。其可以理解為OFDM的基礎上增加了一個功率域維度。新增功率域可以讓系統利用每個用戶不同的路徑損耗來實現多用戶復用，提高系統容量和魯棒性。