5G 比 4G 强在哪?看完你就明白了

在 2015 年的 MWC 上国内外厂商纷纷展示各自在 5G 上的进展之后,5G 就瞬间成为了业界的讨论的焦点,在媒体竭尽溢美之词的同时,芯片商、通信设备商以及电信运营商无一例外开始倾其所有布局下一代通信技术,目的就是抢占话语权。

对于数消费者而言,5G 的价值在于它拥有比 4G LTE 更快的速度(峰值速率可达几十 Gbps),例如你可以在一秒钟内下载一部高清电影,而 4G LTE 可能要 10 分钟。也正是因为这一得天独厚的优势,业界普遍认为 5G 将在无人驾驶汽车、VR 以及物联网等领域发挥重要作用。

和 4G 相比,5G 的提升是全方位的,按照 3GPP 的定义,5G 具备高性能、低延迟与高容量特性,而这些优点主要体现在毫米波、小基站、Massive MIMO、全双工以及波束成形这五大技术上。

5G 比 4G 强在哪?看完你就明白了
毫米波

众所周知,随着连接到无线网络设备的数量的增加,频谱资源稀缺的问题日渐突出。至少就现在而言,我们还只能在极其狭窄的频谱上共享有限的带宽,这极大的影响了用户的体验。

那么 5G 提供的几十个 Gbps 峰值速度如何实现呢?

众所周知,无线传输增加传输速率一般有两种方法,一是增加频谱利用率,二是增加频谱带宽。5G 使用毫米波(26.5~300GHz)就是通过第二种方法来提升速率,以 28GHz 频段为例,其可用频谱带宽达到了 1GHz,而 60GHz 频段每个信道的可用信号带宽则为 2GHz。

在移动通信的历史上,这是首次开启新的频带资源。在此之前,毫米波只在卫星和雷达系统上被应用,但现在已经有运营商开始使用毫米波在基站之间做测试。

当然,毫米波最大的缺点就是穿透力差、衰减大,因此要让毫米波频段下的 5G 通信在高楼林立的环境下传输并不容易,而小基站将解决这一问题。

小基站

上文提到毫米波的穿透力差并且在空气中的衰减很大,但因为毫米波的频率很高,波长很短,这就意味着其天线尺寸可以做得很小,这是部署小基站的基础。

可以预见的是,未来 5G 移动通信将不再依赖大型基站的布建架构,大量的小型基站将成为新的趋势,它可以覆盖大基站无法触及的末梢通信。

因为体积的大幅缩小,我们设置可以在 250 米左右部署一个小基站,这样排列下来,运营商可以在每个城市中部署数千个小基站以形成密集网络,每个基站可以从其它基站接收信号并向任何位置的用户发送数据。当然,你大可不必担心功耗问题,雷锋网之前曾报道过:小基站不仅在规模上要远远小于大基站,功耗上也大大缩小了。

除了通过毫米波广播之外,5G 基站还将拥有比现在蜂窝网络基站多得多的天线,也就是 Massive MIMO 技术。

Massive MIMO

现有的 4G 基站只有十几根天线,但 5G 基站可以支持上百根天线,这些天线可以通过 Massive MIMO 技术形成大规模天线阵列,这就意味着基站可以同时从更多用户发送和接收信号,从而将移动网络的容量提升数十倍倍或更大。

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)的意思是多输入多输出,实际上这种技术已经在一些 4G 基站上得到了应用。 但到目前为止,Massive MIMO 仅在实验室和几个现场试验中进行了测试。

隆德大学教授 Ove Edfors 曾指出,”Massive MIMO 开启了无线通讯的新方向——当传统系统使用时域或频域为不同用户之间实现资源共享时,Massive MIMO 则导入了空间域 ( spatial domain ) 的途径,其方式是在基地台采用大量的天线以及为其进行同步处理,如此则可同时在频谱效益与能源效率方面取得几十倍的增益。”

毋庸置疑,Massive MIMO 是 5G 能否实现商用的关键技术,但是多天线也势必会带来更多的干扰,而波束成形就是解决这一问题的关键。

波束成形

Massive MIMO 的主要挑战是减少干扰,但正是因为 Massive MIMO 技术每个天线阵列集成了更多的天线,如果能有效地控制这些天线,让它发出的每个电磁波的空间互相抵消或者增强,就可以形成一个很窄的波束,而不是全向发射,有限的能量都集中在特定方向上进行传输,不仅传输距离更远了,而且还避免了信号的干扰,这种将无线信号(电磁波)按特定方向传播的技术叫做波束成形 ( beamforming ) 。

这一技术的优势不仅如此,它可以提升频谱利用率,通过这一技术我们可以同时从多个天线发送更多信息;在大规模天线基站,我们甚至可以通过信号处理算法来计算出信号的传输的最佳路径,并且最终移动终端的位置。因此,波束成形可以解决毫米波信号被障碍物阻挡以及远距离衰减的问题。

除此之外,雷锋网最后要提到 5G 的另一大特色——全双工技术。

全双工

全双工技术是指设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作,使得通信两端在上、下行可以在相同时间使用相同的频率,突破了现有的频分双工(FDD)和时分双工(TDD)模式,这是通信节点实现双向通信的关键之一,也是 5G 所需的高吞吐量和低延迟的关键技术。

在同一信道上同时接收和发送,这无疑大大提升了频谱效率。但是 5G 要使用这一颠覆性技术也面临着不小的挑战,根据《移动通信》之前发布的资料显示,主要有一下三大挑战:

1. 电路板件设计,自干扰消除电路需满足宽频(大于 100MHZ)和多 MIMO(多于 32 天线)的条件,且要求尺寸小、功耗低以及成本不能太高。

2. 物理层、MAC 层的优化设计问题,比如编码、调制、同步、检测、侦听、冲突避免、ACK 等,尤其是针对 MIMO 的物理层优化。

3. 对全双工和半双工之间动态切换的控制面优化,以及对现有帧结构和控制信令的优化问题。

因此,雷锋网想说的是,尽管 5G 的势头远远超过了之前的 4G,但 5G 的未来仍充满了不确定性,现在我们需要等待的是这些技术从实验阶段走向实用。

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