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了解5G的关键技术和有着什么意义?

·2018-08-07 17:35·电子发烧友
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据坊间爆料,Nokia与T-Mobile US 签署了一份合作协议,涉资35亿美元(约折合人民币239亿元),这是截止目前所达成的全球移动通信行业里最大的一份5G订单。在这之前的2018年6月13日, 3GPP 5G NR标准 SA方案正式完成并发布,标志着首个真正完整意义的国际5G标准出炉,也标志着首个面向商用的5G标准出台。

“5G”,真的来了。

了解5G的关键技术和有着什么意义?

第五代移动电话行动通信标准,也称第五代移动通信技术,外语缩写:5G。也是4G之后的延伸。其峰值理论传输速度可达每秒数十Gb,这比4G网络的传输速度快数百倍。

前几代的通讯技术比较

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第一代移动通信系统(1G)

第1代移动通信系统(1G)是模拟式通信系统,模拟式是代表在无线传输采用模拟式的FM调制,将介于300Hz到3400Hz的语音转换到高频的载波频率MHz上。

第二代移动通信系统(2G)

从1G跨入2G的分水岭则是从模拟调制进入到数字调制,第二代移动通信具备高度的保密性,系统的容量也在增加,同时能够提高多种业务服务。但那个时代GSM的网速仅有9.6KB/s。

第三代移动通信系统(3G)

国际电信联盟(ITU)发布了官方第3代移动通信(3G)标准IMT-2000(国际移动通信2000标准)。3G存在四种标准式,分别是C DMA 2000,WCDMA,TD-SCDMA,WiMAX。

第四代移动通信系统(4G)

4G包括TD-L TE 和FDD-LTE两种制式,是集3G与WLAN于一体,并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像.4G能够以100Mbps以上的速度下载,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。

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5G的意义

1G主要解决语音通信的问题;2G可支持窄带的分组数据通信,最高理论速率为236kbps;3G在2G的基础上,发展了诸如图像、音乐、视频流的高带宽多媒体通信;4G是专为移动互联网而设计的通信技术,从网速、容量、稳定性上都有极大的提升;

那么,5G将会带来什么?

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1、通过引入新的无线传输技术将资源利用率在4G的基础上提高10倍以上;

2、通过引入新的体系结构(如超密集小区结构等)和更加深度的智能化能力将整个系统的吞吐率提高25倍左右;

3、进一步挖掘新的频率资源(如高频段、毫米波与可见光等),使未来无线移动通信的频率资源扩展4倍左右;

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5G的关键技术

关键技术一:高频段传输

移动通信传统工作频段主要集中在3GHz以下,这使得频谱资源十分拥挤,而在高频段(如毫米波、厘米波频段)可用频谱资源丰富,能够有效缓解频谱资源紧张的现状,可以实现极高速短距离通信,支持5G容量和传输速率等方面的需求。

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高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势,业界对此高度关注。足够量的可用带宽、小型化的天线和设备、较高的天线增益是高频段毫米波移动通信的主要优点,但也存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。射频器件、系统设计等方面的问题也有待进一步研究和解决。

监测高频段资源虽然目前较为丰富,但是仍需要进行科学规划,统筹兼顾,从而使宝贵的频谱资源得到最优配置。

关键技术二:新型多天线传输

多天线技术经历了从无源到有源,从二维(2D)到三维(3D),从高阶MIMO到大规模阵列的发展,将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高,是目前5G技术重要的研究方向之一。

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由于引入了有源天线阵列,基站侧可支持的协作天线数量将达到128根。此外,原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列,形成新颖的3D-MIMO技术,支持多用户波束智能赋型,减少用户间干扰,结合高频段毫米波技术,将进一步改善无线信号覆盖性能。

目前研究人员正在针对大规模天线信道测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、码本及反馈机制等问题进行研究,未来将支持更多的用户空分多址(SDMA),显著降低发射功率,实现绿色节能,提升覆盖能力。

关键技术三:同时同频全双工

最近几年,同时同频全双工技术吸引了业界的注意力。利用该技术,在相同的频谱上,通信的收发双方同时发射和接收信号,与传统的TDD和FDD双工方式相比,从理论上可使空口频谱效率提高1倍。

全双工技术能够突破FDD和TDD方式的频谱资源使用限制,使得频谱资源的使用更加灵活。然而,全双工技术需要具备极高的干扰消除能力,这对干扰消除技术提出了极大的挑战,同时还存在相邻小区同频干扰问题。在多天线及组网场景下,全双工技术的应用难度更大。

关键技术四:D2D

传统的蜂窝通信系统的组网方式是以基站为中心实现小区覆盖,而基站及中继站无法移动,其网络结构在灵活度上有一定的限制。随着无线多媒体业务不断增多,传统的以基站为中心的业务提供方式已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。

D2D技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信,拓展网络连接和接入方式。由于短距离直接通信,信道质量高,D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗;通过广泛分布的终端,能够改善覆盖,实现频谱资源的高效利用;支持更灵活的网络架构和连接方法,提升链路灵活性和网络可靠性。目前,D2D采用广播、组播和单播技术方案,未来将发展其增强技术,包括基于D2D的中继技术、多天线技术和联合编码技术等。

关键技术五:密集网络

在未来的5G通信中,无线通信网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向演进。随着各种智能终端的普及,数据流量将出现井喷式的增长。未来数据业务将主要分布在室内和热点地区,这使得超密集网络成为实现未来5G的1000倍流量需求的主要手段之一。

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超密集网络能够改善网络覆盖,大幅度提升系统容量,并且对业务进行分流,具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。未来,面向高频段大带宽,将采用更加密集的网络方案,部署小小区/扇区将高达100个以上。

与此同时,愈发密集的网络部署也使得网络拓扑更加复杂,小区间干扰已经成为制约系统容量增长的主要因素,极大地降低了网络能效。干扰消除、小区快速发现、密集小区间协作、基于终端能力提升的移动性增强方案等,都是目前密集网络方面的研究热点。

关键技术六:新型网络架构

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目前,LTE接入网采用网络扁平化架构,减小了系统时延,降低了建网成本和维护成本。未来5G可能采用C-RAN接入网架构。C-RAN是基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线接入网构架。C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络,直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号,以构建覆盖上百个基站服务区域,甚至上百平方公里的无线接入系统。C-RAN架构适于采用协同技术,能够减小干扰,降低功耗,提升频谱效率,同时便于实现动态使用的智能化组网,集中处理有利于降低成本,便于维护,减少运营支出。目前的研究内容包括C-RAN的架构和功能,如集中控制、基带池RRU接口定义、基于C-RAN的更紧密协作,如基站簇、虚拟小区等。

5G的应用领域

5G并不是独立的、全新的无线接入技术,而是对现有(包括2G、3G、4G和WiFi)的技术演进。依据5G的特点以及国际标准规划,将5G分为三大应用场景:eMMB(即enhanced Mobile BroadBand,增强型移动带宽)、mMTC(即Massive Machine Type Communica ti on,海量机器类通信)和uRLLC(即Ultra-Reliable Low Latency Connection,超可靠低时延通信)

eMMB——增强移动带宽,保证大量数据传输

增强型移动带宽主要表现在网络容量的提升,支持不同的设备同时进行大量的数据传输,带宽增强也意味着传输速率增加。超大的网络吞吐量以及更快的速率使得用户能够获得更好的用户体验。该应用场景包括AR/VR、社交网络、远程教育培训、无线家庭娱乐等一些需要超高清视频数据传输的领域。

AR/VR

最典型的应用场景就是AR/VR,该应用对带宽的需求是巨大的,需要大量的数据传输、存储和计算功能,超高体验的游戏和建模、实时渲染和下载以及需要高达100Mbps至9.4Gbps的大带宽,当前主要用在游戏、广告等领域。

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社交网络

移动视频业务不断发展,一些领先的社交网络推出直播视频。为了保证实时的互动性,1对多的用户交流,需要超大带宽以及超高速进行视频数据传输,流媒体录像设备从手机摄像头发展到了360°全景直播。

无线家庭娱乐

无线家庭娱乐(如家庭监控,流媒体和云游戏)同样受益于5G。带宽越高,视频流质量越好,5G有望提供响应式和沉浸式的4K游戏体验,使大部分家庭的数据速率高于75 Mbps,延迟低于10毫秒。

mMTC——海量机器类通信,大量设备接入,数据传输

海量机器类通信主要体现在物联网领域。其实,物联网的设备很简单,需要传输的数据信息量也不大。海量的物联网设备数据传输是5G相对于前几代通信技术的一个全新的应用领域。应用场景大致分为以下几种:智慧农业(土地、农作物以及天气数据)、智慧城市(实体基础设施设备连接)、智能制造(机器人控制、零部件监测)、智能家居等,在这些应用场景中,我们可以看到5G变革性的影响。

智慧农业

智慧农业需要海量的数据传输,如土壤温湿度数据、农作物生长数据、空气二氧化碳、氧气浓度数据等,5G有望实现大量的 传感器 数据传输,实时监测作物生长情况。

智慧城市

智慧城市涉及各个方面,包括智能电网、智慧楼宇、智能交通等,将变电站、电能表、楼宇安防、交通信号灯等设备数据传输至数据平台,实现海量设备的通信要求。

智能家居

智能家居将电视、音箱、冰箱以及窗帘等家庭智能硬件进行数据传输,通过智能家居的控制中心和枢纽,实现家庭硬件设备智能化。

uRLLC——超可靠、低时延,传输速度快、稳定可靠

相对于4G网络,由于采用了“自包含集成子帧”、可伸缩传输时间间隔等新技术,传输延迟显著降低,最低可低至1ms,同时可靠性远远强于4G,因此该应用场景可以用在那些对网络时延很敏感以及对数据传输可靠性很高的领域,比如车辆网( 自动驾驶 )、远程医疗诊断(实时传输、超低时延)、 无人机 (巡检和安防)以及智慧能源(馈线自动化系统)等。

自动驾驶

了解5G的关键技术和有着什么意义?

驱动汽车产业变革的关键技术——自动驾驶、远程控制等,需要安全、可靠、低延迟和高带宽的连接,这些连接特性在高速公路和密集城市中至关重要,只有5G才能满足这样严格的要求。

远程医疗诊断

具备力反馈的远程医疗诊断需要低延迟的网络环境才能满足要求。像无线内窥镜和超声波这样的远程诊断依赖于设备终端和患者之间的交互作用。远程诊断是一类特别的应用,尤其依赖5G网络的低延迟和高QoS保障特性。

智慧能源

智慧能源——馈线自动化(FA)系统对可再生能源具有特别重要的价值,需要超低时延的通信网络支撑。通过为能源供应商提供智能分布式馈线系统所需的专用网络切片,能够进行智能分析并实时响应异常信息,从而实现更快速准确的电网控制。

以上只是大概说明了当前5G的三大场景可应用的领域,但5G未来的潜力不只限于这些。随着时间的推移,还会出现更多的应用场景。在现阶段,只有eMMB完成了国际的标准制定,其余均处于标准商讨阶段,预计2019年底,实现5G标准的全面冻结。5G的发展支撑着物联网的发展,物联网的需求促进着5G技术的进步,如何将5G技术应用于更多的物联网领域,也许才是真正需要关注的重点。

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