难道又是一场圈钱游戏,真的来了

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据坊间爆料,7月30日,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。

目前,我国4G用户数已达7.7亿,却随着提速降费政策的推进,这一数字还在持续增长,速度也从3G的3.9M提升至4G的11.9M,既然市场一片大好,为何都在铺天盖地的宣传5G?从手机屏幕分辨率来看,除了索尼的4K以外,其它品牌也都在徘徊在2K或1080P之间,以4G现有速度完全可以支撑,真的需要速度更快的5G吗?究竟是刚需还是另一场圈钱有戏?

首先5G网络主要有以下四大特点:

“5G”,真的来了。

你所知道的是5G速度更快,却不知作为一个端到端的生态系统,5G志在打造一个全移动和全连接的社会,比起2/3/4G更多聚焦于技术,5G则志在“端到端”的系统构架。不仅如此,5G还将实现电信的软/硬件分离,并引入IT数据中心所采用的云化和虚拟化的概念。简而言之,5G将运用各种技术满足和支持持续变化的生态和商业模式。

1、1000倍的容量提升:5G的容量是4G的1000倍,峰值速率10Gbps-20Gbps,提升容量和速率以下三点:频谱带宽、频谱效率和小区数量。

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5G是啥?老生常谈

2、1000亿+的连接支持:5G应用不再只是手机,它将面向未来VR/AR、智慧城市、智慧农业、工业互联网、车联网、无人驾驶、智能家居、智慧医疗、无人机、应急安全等等。

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。

先来说说容量。5G的容量是4G的1000倍,峰值速率在10Gbps-20Gbps,根据“容量=带宽x频谱效率x小区数量”的计算公式,要提升容量可以加带宽,提高频谱效率,或是增加小区数量。但是吧,增加小区数量就要加建更多基站,费用可观;加频谱带宽,国外很多运营商的频谱资源都要拍卖获得,也不省钱;因此,相比之下,运营商更喜欢通过提升频谱效率从而提升容量。

3、10GB/s的最高速度:5G不再只是从2G.txt到3G.jpg再到4G.avi的网络速率的提升,而是将人与人之间的通信扩展到万物连接,打造全移动和全连接无速率延迟的数字化社会。

前几代的通讯技术比较

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4、1ms以下的延迟:较低的延迟可以帮助5G提供让我们做全新事物的移动网络,而不仅仅是适度改善我们现在正在做的事情。可能性包括多人移动游戏,工厂机器人,自动驾驶汽车和其他需要快速响应的任务,所有当今4G网络都在挣扎或根本无法管理的领域。

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1ms时延。我们说5G的目标是将端到端的时延控制在毫秒级。感觉太抽象?来一组数字:LTE网络内部时延小于20ms(不考虑重传,且要是ping外部服务器,时延通常在40-50ms以上),光纤的传播速度是200公里/ms,而5G在应对时延超敏感用例时要求接入网时延不超过0.5ms,即5G数据中心与5G基站间的物理距离不能超过50公里。

第一代移动通信系统

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第1代移动通信系统是模拟式通信系统,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。

为此,不得不考虑在接入网引入移动边缘计算、边缘数据中心,就是将以前核心网和应用网的一些功能下沉到接入网,这与电信网络一直秉承的中心化概念无疑是背道而驰。但获得低时延的同时,还可将更多的互联网内容揽入电信网络中。时延是一种什么体验?这么说吧,2s时延足以让你上网的心情瞬间石化,100ms时延你能感觉到上网偶尔有断续。

第二代移动通信系统

4G够用5G又强在哪?

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。

对于5G,业界普遍认为它将在无人驾驶汽车、VR
以及物联网等领域发挥重要作用。与4G相比,5G是全方位的提升,具备高性能、低延迟以及高容量特性。当然,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。

第三代移动通信系统

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国际电信联盟发布了官方第3代移动通信标准IMT-2000(国际移动通信2000标准)。3G存在四种标准式,分别是Cdma2000,WCDMA,TD-SCDMA,WiMAX。

如同道路上行驶的车辆多了会导致拥堵一样,当连网设备数量越来越后,频谱也会出现资源稀缺问题。目前而言,我们还只能在较狭窄的频谱上共享有限的带宽,很大程度的影响了用户的使用体验。若要增加无线传输速率,要么增加频谱利用率,要么增加频谱带宽,而5G所使用的毫米波(26.5~300GHz)就是通过第二种方法(增加频谱带宽)提升速率。以28GHz频段为例,其可用频谱带宽为1GHz,而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则为2GHz。

第四代移动通信系统

实际上,一直以来毫米波都只在卫星和雷达系统上做应用,此番也是首次开启新的频带资源,现在已有运营商开始使用毫米波在基站之间进行测试。尽管毫米波穿透力较弱且衰减大,在高楼林立的环境下传输并不容易,但小基站却能解决这一问题。

4G包括TD-Lte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。

刚才说到的小基站,每个基站可从附近其它的基站接收信号并向任何位置的用户发送数据。至于功耗问题,小基站不仅在规模上要远远小于大基站,功耗上自然也大大缩小。除了通过毫米波传输,5G基站还将拥有比现在蜂窝网络基站更多的天线,即Massive
MIMO技术。

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5G的意义

看到这里,或许你会说多天线会带来更多干扰,至于这个问题波束成形可以很好的解决,控制天线阵列中的每根天线,让其发出的每个电磁波的空间互相抵消或增强,形成一个波束而不是全向发射,将有限的能量集中在特定方向上进行传输,使得传输距离更远,同时避免了信号干扰。与此同时,波束成形技术还能提升频谱利用率,可同时从多个天线发送更多信息。

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;

最后再来说说全双工技术,指设备的发射机和接收机占用相同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,打破现有的频分双工(FDD)和时分双工(TDD)模式,是通信节点实现双向通信的关键之一,也是5G高吞吐量和低延迟的关键所在。当然,要实现这一愿景,还需克服电路板件设计、物理层/MAC层优化以及对全双工和半双工之间动态切换的控制面优化,和对现有帧结构和控制信令的优化问题。尽管5G还处在规划和测试阶段,但在整个行业的共同努力推进下,实现5G商用指日可待。

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,从二维到三维,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,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
Communication,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、远程医疗诊断(实时传输、超低时延)、无人机以及智慧能源等。

自动驾驶

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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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