關於5G你該知道的事兒

odin

2018-09-13 由 通信科普君 發表于科技

提到5G，最經典最直觀的說辭便是：用戶可以在短短几秒的時間內下載一部高清電影，而現在的4G LTE網絡需要十幾甚至幾十分鐘。之所以拿視頻的下載速度來描述，是因為下載或在線觀看高清電影是目前最貼近我們生活的，也最容易感受到網速變化的一種方式。而5G的作用遠不僅如此，隨着傳輸速率的增加，其他新興的應用也會隨之產生，比如物聯網、虛擬現實、自動駕駛汽車等。



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5G有三大典型場景，這三大場景描述了5G的需求也反應了5G與4G的不同，正如上圖所示，三大場景分別為：增強型移動寬帶通信（eMBB），大規模機器型通信（eMTC）和超高可靠性超低延時通信（uRLLC）。

eMBB提供了更高的傳輸速率和用戶體驗，5G中下行峰值傳輸速率將達到20Gb/s，而4G的下行峰值速率只有1Gb/s，超高的速率會讓虛擬現實、增強現實等成為可能；eMRT將實現萬物互聯，智能家居、智能電網等；uRLLC可將通信延時降低到毫秒以下，實現觸覺互聯，而4G中的延時在70毫秒左右，5G的超低通信延時和高可靠性傳輸可實現汽車自動駕駛等。

5G正得到學術界和工業界的廣泛關注，並且已經進入了標準制定階段（PS：5G白皮書White paper也是教科書一般的教材），如果一切進展順利，2020年將實現首個5G商業網絡。不過5G到底會是什麼樣子，實現哪些突破還尚未完全確定。但是目前可以確定的是：5G相對比4G要實現網絡吞吐量的千倍增長！為了實現這個目標，很多新的技術應運而生。



所以，提升網絡吞吐量可以主要從三方面着手實現，即提升通信帶寬，提高小區密度以及提高頻譜效率。相應地，可以通過如下技術實現：毫米波通信、Small cell以及大規模MIMO技術。

1、提升通信帶寬-代表技術毫米波

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當前無線通信使用的大多是6 GHz以下頻段，然而隨着用戶數和智能設備數量的增加，有限的頻譜帶寬需要服務更多的終端，導致每個終端的服務質量嚴重下降。為了解決頻譜資源有限的問題，一個可行的方法便是開發新的通信頻段，拓展通信帶寬。正因如此，目前有很多運營商或者設備供應商在開展毫米波頻段通信的測試。

毫米波頻段是指30-300 GHz的頻段（如上圖所示），相對比原來的6 GHz以下頻段，是個非常豐富的頻段資源，在這個頻段上無線電波的波長在1-10 mm之間。由於毫米波波長較短，在實際通信中傳輸損耗特別嚴重，空氣中的水蒸氣等都會導致其產生嚴重的衰落，並且以直射波的形式傳輸，是一種典型的視距傳輸方式，穿透能力極差，牆體、樹葉等都會導致信號的阻斷，所以目前毫米波多用在基站與基站之間、雷達、衛星等的傳輸上（基站架設在高出，彼此之間通常沒有建築物的阻擋）。



因毫米波頻段具有高衰落特性，所以可以與大規模MIMO技術結合，來加強信號強度，或與small cell技術結合，來加強信號傳播的距離。

2、提高小區密度-代表技術Small cell異構網絡

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5G的實現必然是要在基礎設施的建設上發生一些改變，既要兼容以往的系統也要提供更強的服務。Small cell的部署是提高頻譜利用率、加強用戶服務質量的關鍵技術之一。

Small cell不同與傳統的宏基站，它只需要較低的發射功率，可以較容易地部署在路燈等其他設施上，服務小範圍內的用戶，如上圖所示。由於Small cell的服務範圍較小，所以不同的Small cell之間、以及Small cell與宏蜂窩之間便可以復用相同的頻譜資源，與傳統的宏蜂窩形成一種異構結構，極大地提升系統頻譜利用率。此外，Small cell可以起到中繼的效果，加強信號強度和覆蓋範圍，同時也能增加系統服務的終端個數。



3、提高頻譜效率-代表技術大規模MIMO、波束成形

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大規模MIMO是5G關鍵技術中非常有潛力的一個，相比4G系統中採用8根（或更少）發送天線，大規模MIMO將在同一個天線陣列上部署上百根天線，將天線陣列增益提升到一個新高度！大規模MIMO尚未在實際中部署和應用，目前都是在實驗室或者一些特定環境下進行測試，但通過已有的測試結果可以看到：大規模MIMO只需要採用簡單的線性預編碼處理（如MRT、ZF）便可以提供極高的下行傳輸速率。

波束成形/預編碼技術是與多天線系統密不可分的。波束成形技術可以使發送的信號具有一定的指向性，避免對周圍用戶的干擾，同時提升指定用戶的接收信號功率。隨着大規模MIMO系統天線數目的增加，系統可以服務更多的終端用戶，如何避免信號發送過程中產生的用戶干擾是重要問題。波束成形技術是大規模MIMO系統中不可或缺的一部分。