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5G科普系列《我和我的5G》| (一)5G技術篇

【字體: 2019年10月17日 10:15 來源:國家無線電監測中心 作者:王坦

5G的G,是英文Generation的縮寫,就是“代”的意思。所以,5G就是“第五代”移動通信系統的簡稱。這就跟五環比四環多一環是一個意思。關于移動通信演進史的文章有很多,本文暫不贅述(一篇參考文章見:http://www.enybze.live/dianxinri/list1.aspx?id=1)。

從1G到4G,每一代移動通信的變革都給我們帶來了全新的體驗。簡單說,1G是話音服務,2G是“txt”也即短消息,3G是“jpg”也即圖片等多媒體服務,4G則是“avi/mkv”等各種視頻類服務,那5G打算干什么呢?

5G的“野心”

首先,5G在服務老百姓的日常通信需要上,各項指標當然要比4G更厲害啦。這也是5G看家本領,三大場景之一:增強的移動寬帶(eMBB)。先看看在這方面5G比4G從能力上提高了多少吧。根據一項互聯網報告,世界上最快的4G網速(平均63 Mb/s)和最快的寬帶網速(平均189 Mb/s)加在一起,也沒有 5G 的網速高(理論可達10Gb/s)。5G網速完全能夠把他們按在地上摩擦。

圖1 5G網速對比圖

(來源:https://mp.weixin.qq.com/s/HreeVP0eOlExCX1m4LKsRA)

網速的大幅提升,可以轉化為很多能力的增強,比如:下載速度更快(高清電影下載以秒記),觀看視頻質量更高(1080p、4k、8k不是夢),多媒體服務模式更加先進(虛擬現實浸入式體驗、增強現實等),在現有相同數據速率下支持更多用戶同時在線、或單個用戶時延大幅降低(減少網絡卡頓、等待時間)等。

但如果你以為5G就這點能耐,那就大錯特錯了。

5G真正的“野心”,不在于連接人與人,而在于連接人與物、物與物。簡言之,5G真正目標在于連接萬物。這里面包括了5G三大場景的另外兩個:高可靠低時延(URLLC)以及大規模機器通信(mMTC)。

什么是高可靠低時延?這展現了5G連接萬物快、準、狠的能力。舉個例子,人開車時,從發現情況到腳踩剎車,大腦反應時間一般是10毫秒到50毫秒(也即1秒的1%-5%那么長),而5G的低時延,能力要求是1至幾毫秒的量級。此外,5G對通信可靠性的要求達到了5個9(99.999%)。針對這種能力,平時玩個手游、刷個網頁、看個視頻根本理解不到5G技術的厲害之處,而在自動駕駛、工業控制、遠程醫療等對精度和時間要求很高的通信場景下,5G才能夠最大限度的發揮出技術優勢。

圖2 5G低時延示意圖

(來源:https://mp.weixin.qq.com/s/7P0RMeDUXwPH2SsGksarNQ)

而在大規模機器通信方面,則展現出了5G連接萬物的維度和廣度。5G可以支持每平方公里接入100萬個設備,是4G的10倍。隨著5G連接萬物能力逐漸滲透到我們日常生活的方方面面,我們家里的電視、冰箱、洗衣機、音箱、燈、水電燃氣表、門鎖,城市里的路燈、車輛、紅綠燈、攝像頭、物流,體育賽事、演唱會、聯歡會的每一個視頻錄像機位,工廠里的產線、貨架、機械臂,農田里的傳感器、水管,每個病人所攜帶的傳感器、監護儀,每一件食品、藥品等等,全都可以在5G網絡中擁有自己的一張“sim卡”,可以同你的手機直接建立連接。

圖3 5G大連接示意圖

(來源:https://mp.weixin.qq.com/s/7P0RMeDUXwPH2SsGksarNQ)

注意,這些設備未來是可以直接連接到5G的哦,不是先通過家里WiFi或其它渠道間接與你的手機連接。這時你通過一部5G手機就真的實現了“信息隨心至,萬物觸手及”的5G終極愿景。

圖4 5G各類應用示意

(來源:https://mp.weixin.qq.com/s/7P0RMeDUXwPH2SsGksarNQ)

5G技術簡述

5G的上述“野心”絕不是信口開河,因為5G有一攬子新的通信技術來實現目標。這里我們細細道來。

通信技術,無論什么黑科技、白科技,只分兩種——有線通信和無線通信。通常情況下,你手機里的語音、數據(包括你在各種App里點擊等操作的信息),首先通過無線電波傳遞到附近的基站,然后通過光纖傳遞到核心網處理。接下來,如果你是要連接他人或物,相關消息會轉發到你通信目標附近的基站,然后再用無線電波傳遞到對方的手機或電腦等其它終端;如果你是單方面獲取互聯網服務,那就是核心網通過連接其它互聯網資源(如視頻播放等),將你的請求所對應的反饋傳遞回給你。

圖5 通信傳輸路徑示意圖

其中,有線通信的傳輸,想要高速很容易,實驗室中,單條光纖最大速度已達到了26Tbps(1Tbps = 1000 Gbps = 1000×1000 Mbps),是傳統網線的兩萬六千倍。而無線通信的傳輸,才是整條通路的瓶頸。

圖6 無線通信和有線通信示意

(來源:微信公眾號“數字化企業”)

上面這段話可能把你搞暈了。簡單說,信息傳遞的路,要先走一段“無線通信”的小路、窄路,然后再匯聚到“有線通信”的超寬的高度公路,距離目的地“最后一公里時”,再從大路下到“無線通信”的小路,最終到達目的地。所以說,無線通信的那段路,是5G重點要加寬、提速的部分。除此之外,網絡技術體現著5G在網絡中處理信息、反饋信息、提供服務的效率,也是5G需要演進的內容。下面分別介紹。

5G無線技術“三駕馬車”

無線通信想要提高容量,主要有這么三個維度:

一是提升手機等終端到基站“點到點”的網速;也即,把上文提到的無線通信的“小路”修的更加平整、暢通,讓車速能夠直接提高。

二是增加基站數量,增加手機等終端就近連接基站的機會;也即,多修建一些通向主干道的小路,車輛可以就近快速走上高速路;

三是增加更多的頻譜,也即把小路修的寬一些,讓小路上可以同時跑更多車、更寬更大型的車,并且跑的更順暢。

圖7 5G無線技術發展“三駕馬車”

不論哪一代移動通信演進,這“三駕馬車”都會并駕齊驅。那么5G在這三方面都有什么黑科技呢?

黑科技一:大陣列天線的波束賦形

為了提升“點到點”信息傳遞的速度,5G大幅提高了天線數量,從傳統4G的2發2收,到后4G時代的8發4收,到了5G現在叫大陣列天線,“大”到64發、128發甚至512發。

圖8

(來源:https://mp.weixin.qq.com/s/nIrWKJRwPaPSI8-7qSfkQQ)

大陣列天線有什么好處呢?這時就該波束賦形這個黑科技亮相了。陣列天線通過對每一根天線的發射進行調整,可以實現整個天線陣列發出一個賦形、有指向的波束。

(來源:果殼網)


傳統天線好比一個大路燈,燈泡朝向下方或者一個固定方向。這個時候雖然也照亮了某個位置的人,給他提供了服務,但是還有很多光的能量是射向其它沒有人的地方的(沒有發起通信業務需要),造成了很大的能量浪費。

而大陣列天線提供的波束賦形,就像是聚光燈,把光束打給正在需要被照亮的人,這樣一方面節約了能量消耗,另一方面還可以讓這個局部變得更亮,通信質量更好。

此外,大家不用擔心天線數量增加會導致5G基站輻射變大。實際上,同等頻段、覆蓋條件下,單個5G基站的發射功率并沒有顯著增加,陣列天線是更好的利用了無線電波在空間多路傳播帶來的好處,來提高通信速率。

可能會有人問,那增加5G基站的數量是不是就會增加輻射了?請繼續往下看。

黑科技二:微基站密集組網

簡單說,基站有兩種,微基站和宏基站。顧名思義,微基站很小,宏基站很大。宏基站通常一個覆蓋一大片區域,幾公里甚至十幾公里。以后更多的將是微基站,到處都裝,隨處可見,每個覆蓋約200米到300米。

(來源:https://mp.weixin.qq.com/s/tHj_tRryBftw-lr6nDAO7A)

那么增加基站會導致輻射增加嗎?恰好相反,其實基站數量越多,輻射反而越小!試想一下:冬天一群人的房子里,一個大功率取暖器好,還是幾個小功率取暖器好?

(來源:微信公眾號“數字化企業”)

所以,基站越小巧,數量越多,覆蓋反而越好,速度還快,能讓更多手機就近接入高速公路。

黑科技三:5G新頻譜

頻譜就是無線通信的路。頻譜資源的多與少,和5G無線通信的路寬直接對應。那么,5G的頻譜究竟與3G/4G有哪些不同?中頻段、毫米波指的又是什么?這里我就暫且賣個關子,請大家直接參見后面的頻譜篇啦。

不過在閱讀了大量帖子后發現,帖子里普遍有一個誤區!那就是5G將重點使用甚至主要使用毫米波頻段!如果這么認為那可就大錯特錯了。作為國家無線電頻譜管理的技術機構,我們會在專題文章中給出全面的分析。

綜上,5G在無線技術的三個維度方面都有新的突破和進展。當然,5G技術家族遠遠不止上文提到的這些,還有比如極化碼、新型幀結構等厲害的技術,在此就不過多展開了。

5G網絡技術

說完了5G無線技術,再來看看網絡技術。

網絡技術演進的主要目標,簡單說就是提高基站在接收到手機等各類終端的請求之后,所展現出的響應速度、準確度等。

前面提到的,5G最大的“野心”就是向物聯網拓展,除了面向老百姓日常通信,還要解決各類垂直行業通信的問題。此外,5G還給自己提出了極為苛刻的高可靠低時延的要求。那么5G的網絡技術是怎么應對的呢?這里重點講兩項黑科技。

黑科技四:網絡切片

5G網絡之所以能夠服務于多種垂直行業的應用場景,網絡切片技術是當之無愧最重要的技術之一。

網絡切片,是根據不同業務應用對用戶數、服務質量的要求,將網絡資源從邏輯上切分成多張相互獨立的專用網絡,也即“虛擬專用網絡”。每個切片完全獨立定義,用戶可以快速靈活的部署網絡。

5G網絡就像一把瑞士軍刀,有小刀、剪刀、鋸子、瓶起子、開瓶器、指甲刀等多種功能(服務公眾、工業、電力、交通、物流、家居等),用戶有一種訴求,系統就掰一部分功能出去。

(來源:https://mp.weixin.qq.com/s/7P0RMeDUXwPH2SsGksarNQ)

黑科技五:移動邊緣計算

在說移動邊緣計算之前,我們先簡要回顧一下終端“計算”能力的發展變化。這里“計算”指的在手機等終端上為了通信所必須要處理的運算工作。

早期,所有計算都在終端上完成。

后來人們發現,一方面終端計算有瓶頸(終端體積導致的運算速度、電池耗電量等),另一方面,整個互聯網上有很多公共的、閑置的計算資源,能力遠大于終端,從而提出了分布式計算、云計算等,也即把本地需要的計算工作量搬到網絡側,計算完了再把結果返給你。

云計算的好處是極大地提高了終端獲取計算結果的效率,但在特定情況下也增加了信息傳遞的時延。

(來源:https://mp.weixin.qq.com/s/7P0RMeDUXwPH2SsGksarNQ)

現在,5G要求毫秒級的超低時延,為了滿足這一指標,人們提出了移動邊緣計算,利用無線接入網絡就近提供服務和計算功能,創造出一個高性能、低延遲與高帶寬的服務環境,加快網絡中各項內容、服務及應用的快速下載,讓消費者享有不間斷的高質量網絡體驗。

舉個例子,在一個家庭里,老婆管錢(5G核心網),老公(基站)每次花錢(發起計算)都要向老婆申請(將信息傳遞給核心網),假如老公有次結賬急著付錢(要求低時延),但請示老婆同意一直沒有答復(時延較大),那可能導致很差的體驗;但如果老婆允許老公200元以下不用請示(授權一部分計算到邊緣計算),那么家里花錢小事的執行效率就會顯著提高(實現低時延)。

小結

5G技術博大精深,一篇短文遠不足以說全、說透,只供大家參考。況且,5G技術只是一方面,我們還準備了5G頻譜和5G應用的系列文章,歡迎大家繼續點擊觀看。

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