【5G比4G強在哪?看完這篇文章你就明白了】

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在2015年的MWC上國內外廠商紛紛展示各自在5G上的進展之後,5G就瞬間成為了業界的討論的焦點,在媒體竭盡溢美之詞的同時,芯片商、通信設備商以及電信運營商無一例外開始傾其所有布局下一代通信技術,目的就是搶占話語權。

對於數消費者而言,5G的價值在於它擁有比4G LTE更快的速度(峰值速率可達幾十Gbps),例如你可以在一秒鍾內下載一部高清電影,而4G LTE可能要10分鍾。也正是因為這一得天獨厚的優勢,業界普遍認為5G將在無人駕駛汽車、VR以及物聯網等領域發揮重要作用。

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,而這些優點主要體現在毫米波、小基站、Massive MIMO全雙工以及波束成形這五大技術上。

眾所周知,隨著連接到無線網絡設備的數量的增加,頻譜資源稀缺的問題日漸突出。至少就現在而言,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。

那麼5G提供的幾十個Gbps峰值速度如何實現呢?

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,其可用頻譜帶寬達到了1GHz,而60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則為2GHz。

移動通信的曆史上,這是首次開啟新的頻帶資源。在此之前,毫米波隻在衛星和雷達系統上被應用,但現在已經有運營商開始使用毫米波在基站之間做測試。

當然,毫米波最大的缺點就是穿透力差、衰減大,因此要讓毫米波頻段下的5G通信在高樓林立的環境下傳輸並不容易,而小基站將解決這一問題。

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上文提到毫米波的穿透力差並且在空氣中的衰減很大,但因為毫米波的頻率很高,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。

可以預見的是,未來5G移動通信將不再依賴大型基站的布建架構,大量的小型基站將成為新的趨勢,它可以覆蓋大基站無法觸及的末梢通信。

因為體積的大幅縮小,我們設置可以在250米左右部署一個小基站,這樣排列下來,運營商可以在每個城市中部署數千個小基站以形成密集網絡,每個基站可以從其它基站接收信號並向任何位置的用戶發送數據。當然,你大可不必擔心功耗問題,雷鋒網之前曾報道過:小基站不僅在規模上要遠遠小於大基站,功耗上也大大縮小了。

除了通過毫米波廣播之外,5G基站還將擁有比現在蜂窩網絡基站多得多的天線,也就是Massive MIMO技術。

現有的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技術形成大規模天線陣列,這就意味著基站可以同時從更多用戶發送和接收信號,從而將移動網絡的容量提升數十倍倍或更大。

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)的意思是多輸入多輸出,實際上這種技術已經在一些4G基站上得到了應用。 但到目前為止,Massive MIMO僅在實驗室和幾個現場試驗中進行了測試。

隆德大學教授Ove Edfors曾指出,“Massive MIMO開啟了無線通訊的新方向——當傳統系統使用時域或頻域為不同用戶之間實現資源共享時,Massive MIMO則導入了空間域(spatial domain)的途徑,其方式是在基地台采用大量的天線以及為其進行同步處理,如此則可同時在頻譜效益與能源效率方面取得幾十倍的增益。”

毋庸置疑,Massive MIMO是5G能否實現商用的關鍵技術,但是多天線也勢必會帶來更多的干擾,而波束成形就是解決這一問題的關鍵。

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Massive MIMO的主要挑戰是減少干擾,但正是因為Massive MIMO技術每個天線陣列集成了更多的天線,如果能有效地控製這些天線,讓它發出的每個電磁波的空間互相抵消或者增強,就可以形成一個很窄的波束,而不是全向發射,有限的能量都集中在特定方向上進行傳輸,不僅傳輸距離更遠了,而且還避免了信號的干擾,這種將無線信號(電磁波)按特定方向傳播的技術叫做波束成形(beamforming)。

這一技術的優勢不僅如此,它可以提升頻譜利用率,通過這一技術我們可以同時從多個天線發送更多信息;在大規模天線基站,我們甚至可以通過信號處理算法來計算出信號的傳輸的最佳路徑,並且最終移動終端的位置。因此,波束成形可以解決毫米波信號被障礙物阻擋以及遠距離衰減的問題。

除此之外,雷鋒網最後要提到5G的另一大特色——全雙工技術。

全雙工技術是指設備的發射機和接收機占用相同的頻率資源同時進行工作,使得通信兩端在上、下行可以在相同時間使用相同的頻率,突破了現有的頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)模式,這是通信節點實現雙向通信的關鍵之一,也是5G所需的高吞吐量和低延遲的關鍵技術。

在同一信道上同時接收和發送,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也面臨著不小的挑戰,根據《移動通信》之前發布的資料顯示,主要有一下三大挑戰:

1.電路板件設計,自干擾消除電路需滿足寬頻(大於100MHZ)和多MIMO(多於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層的優化設計問題,比如編碼、調製、同步、檢測、偵聽、衝突避免、ACK等,尤其是針對MIMO的物理層優化。

3.對全雙工和半雙工之間動態切換的控製面優化,以及對現有幀結構和控製信令的優化問題。

因此,雷鋒網想說的是,盡管5G的勢頭遠遠超過了之前的4G,但5G的未來仍充滿了不確定性,現在我們需要等待的是這些技術從實驗階段走向實用。

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