若干年以后,当我们回想2020年的时候,让我们记得的关键词除了新冠病毒,也一定少不了5G。5G作为新一代移动通信技术,将和它的前辈一样,彻底的改变人们的生活。本文是关于5G的一篇介绍性文章,希望能让大家对5G有一个感性上的认识。
什么是5G?
5G 是指第五代移动通信技术(5th generation mobile networks,或 5th generation wireless systems,或 5th-Generation),“G”是Generation的简写。
通信分为有线通信和无线通信两种。很显然,5G属于无线通信。无线通信利用电磁波完成通信任务。电磁波的功能特性,是由它的频率决定的。不同频率的电磁波,有不同的属性特点,从而有不同的用途。
电磁波是由同向且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场。这么说很高深,但实际上,我们现实中的可见光就是电磁波的一种。
你有没有想过,生活的颜色到底是如何定义的?到底什么是红色?什么是蓝色?
事实上,颜色的定义就根据其电磁波的波长,或者频率来决定的:
电磁波的波长和频率并非独立存在,它们是息息相关的。知道一方,便可以算出另外一方。
因为电磁波波长和频率满足以下这个公式:
\[c = \lambda v\]其中,
- c 代表光速,在真空中,光速是 $3 * 10^{8} m/s $。
- $\lambda$ 代表波长(wavelength),波长是指波在一个振动周期内传播的距离。
- v 代表频率(frequency),是指1秒内发生多少个周期,单位是Hz。如果一秒钟波震动一个周期,就是1Hz,如果一秒钟有10个周期,就是10Hz,以此类推。
对于高频率,常常通过简写的方式来表达,例如:
\[1\,KHz = 1\,000\,Hz = 10^3\,Hz \\ 1\,MHz = 1\,000\,000 Hz = 10^6\,Hz \\ 1\,GHz = 1\,000\,000\,000\,Hz = 10^9\,Hz \\ 1\,Thz = 1\,000\,000\,000\,000\,Hz = 10^{12}\,Hz\]因为不同的色彩,使得我们的生活更加有趣。但实际上,人类肉眼可以看到的可见光只是电磁波中非常非常小的一个范围。更多类型的电磁波,我们无法用肉眼感知。
可以看一下下面这张表:
可见光的范围是 4 * $10^{14}$ Hz ~ 7 * $10^{14}$ Hz 。比红色可见光频率更低的是红外线(Infrared),比紫色可见光频率更高的是紫外线(Ultraviolet)。
频率越高的电磁波能量越大。电影中,布鲁斯·班纳博士被高频率的Gamma射线照射之后变成了绿巨人。但是现实中,人们用Gamma射线来进行癌症的放射性治疗。如果人类被Gamma射线照射过多将必死无疑。
不同类型的电磁波作用见下表:
频率越低的波,波长越长。这些电磁波也会用其波长作为其命名,例如:米波,分米波,厘米波。这几种波都可以用作移动通信。
国际标准化组织3GPP把5G频段分为FR1频段和FR2频段:
- FR1频段:范围为450MHz—6GHz的sub-6GHz频段
- FR2频段:24.25GHz — 52.6GHz的毫米波频段。毫米波是指1—10毫米之间的电磁波。
从1G到5G
提到5G,自然要从其历史说起。
过去的几十年间,移动通信以每十年一代的节奏往前发展。从1980的1G,到1990年的2G, 到2000年的3G,到2010年的4G,再到现在的5G。
每一个世代相较于之前,都有很大的技术进步。这同时也诞生了新的商业帝国。对于80后来说,一定不会忘记当年的摩托罗拉和诺基亚是如何的如日中天。
但从3G时代开始,Android和iPhone逐渐霸占了市场。等到4G时代成熟,视频和直播成为了主流,这也成就了以这些业务为主的服务。
5G时代的到来,又使得华为站在了舞台的中央,虽然说一路有不少的波折。但从技术和业务上来看,华为的领先是毋庸置疑的。截止2020年2月份,华为在5G上专利上一直处于领先地位。
时代和技术在变,位于市场尖端的公司也在变。5G时代的到来,谁会成为新的霸主,我们可以拭目以待。
世代 | 年代 | 主要特征 | 霸主 |
---|---|---|---|
1G | 1980s | 电话 | 摩托罗拉 |
2G | 1990s | 短信 | 诺基亚 |
3G | 2000s | 图片,音乐 | iPhone,Android |
4G | 2010s | 视频,直播 | 支付宝,微信,抖音 |
5G | 2020s | VR,4K | 华为? |
中国5G市场前景广阔。预计,到2025年,中国5G用户将达到8.16亿,将占据全世界30%的连接,从而成为全球最大的5G市场。
关键时间点
任何技术的进步都不是一蹴而就的,5G在真正商用之前,其实已经经历了很长的技术演化。
以下是一些关键时间点:
- 2015年6月,国际电信联盟ITU-R WP5D第22次会议,正式确认将5G命名为IMT-2020
- 2015年9月,3GPP RAN workshop on 5G会议达成共识,5G标准包含两个阶段:R15,R16。R15是5G的基础版本,R16是5G的增强版本
- 2017年12月21日,R15的非独立组网(Non-Standalone,简称NSA)子版本正式发布
- 2018年7月14日,R15的独立组网(Standalone,简称SA)子版本正式发布,这标志着真正完整意义的国际5G NR技术标准正式出炉
- 2019年6月,R16版本阶段2冻结
- 2019年6月6日,工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照
- 2019年10月31日,国内三大运营商共同宣布5G商用服务启动
- 2019年11月19日工信部印发“5G+工业互联网”512工程推进方案
- 2020年3月R16版本阶段3冻结
- 2020年03月24日工信部印发关于推动5G加快发展的通知
- 2020年05月07日工信部印发关于深入推进移动物联网全面发展的通知
3GPP(3rd Generation Partnership Project)是全球移动通信的标准制定组织。其最初的工作范围是为3G制定技术规范。后来,3GPP也承担了建立和统一4G,5G标准的责任。因此3GPP的“3”现在看来已经不太贴切了。
3GPP的标准是R开头,R是Release的意思。R8是4G网络的第一个版本,R9-R14是4G的升级版本。R15是5G网络的第一个版本,R16是截止目前的最新版本。
3GPP制定的标准如下表所示:
3GPP RELEASE | RELEASE DATE | DETAILS |
---|---|---|
Phase 1 | 1992 | Basic GSM |
Phase 2 | 1995 | GSM features including EFR Codec |
Release 96 | Q1 1997 | GSM Updates, 14.4 kbps user data |
Release 97 | Q1 1998 | GSM additional features, GPRS |
Release 98 | Q1 1999 | GSM additional features, GPRS for PCS 1900, AMR, EDGE |
Release 99 | Q1 2000 | 3G UMTS incorporating WCDMA radio access |
Release 4 | Q2 2001 | UMTS all-IP Core Network |
Release 5 | Q1 2002 | IMS and HSDPA |
Release 6 | Q4 2004 | HSUPA, MBMS, IMS enhancements, Push to Talk over Cellular, operation with WLAN |
Release 7 | Q4 2007 | Improvements in QoS & latency, VoIP, HSPA+, NFC integration, EDGE Evolution |
Release 8 | Q4 2008 | Introduction of LTE, SAE, OFDMA, MIMO, Dual Cell HSDPA |
Release 9 | Q4 2009 | WiMAX / LTE / UMTS interoperability, Dual Cell HSDPA with MIMO, Dual Cell HSUPA, LTE HeNB |
Release 10 | Q1 2011 | LTE-Advanced, Backwards compatibility with Release 8, Multi-Cell HSDPA |
Release 11 | Q3 2012 | HetNet, CoMP, IDC, Advanced IP interconnection of Services, |
Release 12 | March 2015 | Enhanced Small Cells operation, Carrier Aggregation , MIMO , MTC - UE Cat 0 introduced, D2D communication, eMBMS enhancements. |
Release 13 | Q1 2016 | LTE-U / LTE-LAA, LTE-M, Elevation beamforming / Full Dimension MIMO, Indoor positioning, LTE-M Cat 1.4MHz & Cat 200kHz introduced |
Release 14 | Mid 2017 | Elements on road to 5G |
Release 15 | End 2018 | 5G Phase 1 specification |
Release 16 | 2020 | 5G Phase 2 specification |
核心业务
提到5G,大家第一个想到的可能就是更快的网速。但其实5G所带来的提升远不止速度这一项指标,5G需要支撑三个核心业务:
- eMBB(Enhanced Mobile Broadband):增强移动宽带。
- URLLC(Ultra-Reliable Low Latency Communications):超高可靠低延迟通信。
- mMTC(Massive Machine Type Communications):大规模机器类型通信。
用普通人容易理解的话来描述这三个特性就是:更快的网络,更低的时延,和更大规模的机器通信。
第一个特性自然不必多说:在4G的带宽下,大家用手机看视频已经是习以为常了。但是如果你用大屏幕的电视播放4K分辨率的在线视频,4G的带宽可能就比较吃力了,但是5G可以轻松应对。5G对于带宽的要求是:峰值速率达到20Gpbs,用户体验数率达到100Mbps以上。
第二个特性是超高可靠超低延迟的通信,这意味着5G可以在工业,医疗和交通等领域有更大的作为。试想一下,对于医生远程操作设备进行手术,或者对于自动驾驶的远程控制,秒级别的延迟将是无法接受的。而随着5G的到来,将时延缩短到1毫秒。这远超普通人类百毫秒级别的反应速度,也能满足7~12ms的VR/AR需求和工业机械臂的1~10ms延迟需求。
第三个特性是为物联网和高密度的设备连接准备的。与1G~4G的交互主体是人类不同的是,在5G普及的未来,将会出现大规模的物联网。未来,你家里的扫地机器人、门锁,冰箱、空调、电饭煲、路由器;道路上的车辆、交通灯、电线杆、楼宇,这些设备在没有人类的参与下,可能就会自动进行一些数据的交换和沟通。而在工业物联网上,会有高密度的设备部署。举一个大家常见的场景:如果你参加过大型演唱会,或者宣讲会,你就会记得在活动现场手机网络是多么的无力,想发一下在线状态都是很困难的事情,这就是因为:直到4G网络对于设备的密度支持是不足以支撑这种场景的。mMTC 则覆盖对于联接密度要求较高的场景,例如智慧城市,智能农业, 满足人们对于数字化社会的需求。
5G标准与核心技术
移动通信网络由无线接入网,传输网和核心网组成:
- 无线接入网:Radio Access Network,简称RAN。通过无线连接将用户终端连接到移动网络,其核心是基站。
- 传输网:用于连接核心网与无线接入网,是负责承载数据传输的网络。
- 核心网:移动通信网的中枢,负责整个移动通信网络的管理和控制。
用过3G和4G网络的人,应该都听过CDMA,LTE这些名词。实际上,从1G到5G,每一代通信方式都有不同的标准,这其中还包含了中间过渡的2.5G,2.75G标准。5G的标准名称是5G NR,NR是New Radio(很难说这是不是一个好名字)的意思。
各代通信标准的说明如下:
通信方式 | 推出时间 | 标准名称 | 下行频段(Hz) | 下行速率(bps) |
---|---|---|---|---|
1G | 1985 | AMPS | 800M | 2.4K |
1G | 1985 | TACS | 900M | 2.4K |
1G | 1985 | NMT | 450M | 2.4K |
2G | 1992 | GSM | 850/900/1800/1900M | 9.6K ~ 14.4K |
2G | 1992 | D-AMPS | 800M-900M | 9.6K ~ 14.4K |
2.5G | 1993 | GPRS | 2110M-2125M | 40~100K |
2.75G | 1998 | EDGE | 2110M-2125M | 380K |
3G | 2003 | CDMA2000 | 144K | |
3G | 2003 | WCDMA | 2130M-2145M | 384K |
3G | 2003 | TD-SCDMA | 2010M-2025M | 2M |
4G | 2013 | LTE | 100M | |
4G | 2013 | TD-LTE | 100M | |
4G | 2013 | FDD-LTE | 100M | |
5G | 2019 | NR | Sub-6G, 24.25GHz — 52.6GHz | 1G |
5G基站
基站是移动通信的核心基础设施,是提供无线覆盖和信号收发的核心环节。
为了满足5G网络的关键性能要求,5G基站相对于4G有较大的变化:
- 采用Massive MIMO技术(见下文),通过大量阵列天线同时收发数据,可以大幅提升网络容量和用户体验。
- 采用有源天线,将传统基站的天线与射频单元一体化集成为AAU(Active Antenna Unit,有源天线单元),可以简化站点部署,减少传输损耗,提升网络性能。这里的有“源”其实指的是电源,因为它需要供电。
- 无线接入网采用CU/DU(Centralized Unit/Distributed Unit)架构。CU和DU之间通过不同的组网方案可以适配不同的基站接入场景。
在5G时代,将以“宏基站为主,小基站为辅”的组网方式来提供网络覆盖。宏基站(Macro Site)需要单独的机房和铁塔,设备、电源柜、传输柜、 和空调等分开部署,体积较大。微基站设备统一在一个柜子加天线即可实现部署,体积较小。
小基站除了微基站(Micro Site)之外,还有更小的皮基站(Pico Site),飞基站(Femto Site)。
事实上,每一代无线通信方式的基站覆盖范围一直在逐渐减少。各代通信技术的基站覆盖范围如下表所示:
基站 | 覆盖范围 |
---|---|
2G基站 | 5~10公里 |
3G基站 | 2~5公里 |
4G基站 | 1~3公里 |
5G宏基站 | 200米+ |
5G微基站 | 50~200米 |
5G皮基站 | 20~50米 |
5G飞基站 | 10~20米 |
因此,想要普及5G,就需要高密度的基站建设。5G基站建设是5G产业布局的第一步。
根据工信部数据统计,截止2019年底,我国共建成5G基站超13万个;截止2020年2月底,全国开通5G基站达到16.4万个。
中国工程院院士邬贺铨预计,到20202年年底,我国5G基站数可能达到65万个,5G套餐用户可能达到2亿,实现全国所有地级市室外的5G连续覆盖,县城及乡镇重点覆盖、重点场景室内覆盖。
毫米波
频段指的是电磁波的频率范围。不同的无线技术使用不同的频段,因此互不干扰。
由于一项技术的频段是有限的,因此频段空间存在大量竞争。
以下是各国家地区所使用的频段:
前面我们已经说到,5G使用FR1和FR2两个频段。我们也说过,不同频段的电磁波具有不同的特征,我们可以对比一下5G所使用的两个频段:
名称 | 频段 | 波长 | 成本 | 传播距离 | 天线大小 | 绕射能力 | 使用场景 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
FR1 | 450MHz-6GHz | 厘米 | 低 | 远 | 大 | 强 | 室外 |
FR2 | 24.25GHz-52.6GHz | 毫米 | 高 | 近 | 小 | 弱 | 室内 |
相较于Sub-6G的低频段而言,5G所使用的毫米波成本高,传播距离远,绕射能力差。但为什么我们还要用毫米波呢?
这是因为,毫米波的高频将带来高带宽。根据香农定理,信道的传输速率与信道的带宽成正比。
香农定理表述如下:
\[C = B * log_{2}( 1 + \frac{S}{N} )\]- C:信道传输速率,单位 bps
- B:信号带宽,单位 Hz
- S:信号功率,单位 W
- N:噪声功率,单位 W
- $\frac{S}{N}$:信噪比
信道是传输信号的道路,这和汽车行驶的道路有些类似。带宽就好像道路的车道数,车道数越多自然车流量也就可以越大。而信噪比就好像道路的状况,例如:路面是否平坦,能见度是否好。路况的好坏会影响汽车行驶的速度,从整体来说,自然也会影响车流的总量。
对于5G的毫米波来说,就连树叶都可以对其造成阻隔。下面是28GHz毫米波的传播效果对比图:
事实上,5G对于毫米波的利用恰恰是利用了其传播距离近这一特性。因为传播距离近,所以多个设备之间才不会互相干扰。
可以看出,6G以下的厘米波将用在远距离传输上,而毫米波将用来室内等距离的高速传输上。由于毫米波的成本非常之高,如果所有地方都用毫米波来覆盖,那营运商将血本无归。
Massive MIMO与波束成形
在传统的无线通信方式中,基站以自身为中心,向周围发射通信信号。在这种通信方式下,信号衰减很快,而且基线互相之间还会产生干扰。
这种通信方式有点像在一个漆黑的屋子里面点燃了蜡烛。它虽然可以照到整个屋子,但是一些角落你可能无法看清楚。
而在5G通信中,为了大幅提高数据传输效率,使用了一种称之为波束成形(Beam-foraming)的技术。
在这种技术下,基站有指向的向5G设备发生通信信号,如下图所示。
这种通信方式更像是手电筒,手电筒照到的地方会足够的明亮。
那么如何实现波束成形呢?这需要借助于一种称之为Massive MIMO的技术。
MIMO的全称是Multiple Input Multiple Output,这是一种天线技术。它使用多个天线来分离由于反射经过不同路径传播的信号,并利用它们的能力来提高数据吞吐量和/或信噪比,从而提高系统性能。简单来讲,MIMO就是并行的包含了多路天线,无论是接收还是发送,都是很多根天线在同时收发。
而Massive MIMO,就是大规模的MIMO。事实上,Massive MIMO和MIMO没有严格的边界。通常,MIMO具有数10根天线。而Massive MIMO会有超过100路的天线。
大规模天线的同时收发正是5G速率提升的核心技术。
前面我们提到,当多个天线在同时收发信号时会形成干扰。但5G恰恰利用了干扰这一“特性”。如下图所示,信号之间的干扰,有些地方会互相抵消(Destructive),有些地方会互相增强(Constructive)。
而如果对这些天线阵列进行精确的调整,就可以让增强的地方控制在一个方向上,形成波束。
当然,这么做的基础是要能做到精确的控制,因为如果波束稍微偏了一些,在两个波束之间的空间内信号将变得极差。
另外,不仅仅基站的信号是多路的,5G手机上的天线也是多路的。多路天线会用类似2T2R的形式来描述。T是Transmit,指的是手机发送数据到基站的方向。R是Receive,指的是手机从基站接受数据的方向。因此,2T2R就是指有两根天线可以同时发送数据,还有两根天线可以同时接收数据。当然,还可能会有6T6R,8T8R…
SA与NSA
5G设备接入网络有两种形式:
- NSA(Non-Standalone)非独立组网模式:顾名思义,不能独立组网,需要借助4G网络的基础设施。基于NSA架构的5G载波仅承载用户数据,其控制信令仍通过4G网络传输。
- SA(Standalone)独立组网模式:完全独立的5G网络,包括新基站、回程链路以及核心网。在SA模式下,设备将根据实际情况单独连接4G或者5G网络。
很明显,SA才是纯粹的5G网络。但NSA之所以存在,其目的是为了降低成本,在5G网络还没有完全部署完成之前,可以借助4G基础设施先满足一部分需求。NSA是一个过渡时期的产物。但这个过渡时期会持续多久,就不确定了。
5G网络的核心部分称之为5G Core,简称5GC。NSA和SA的区别在于是否具有5GC。只有借助于5GC才能实现eMBB,URLLC和mMTC。
从2020年1月1日开始,中国政府不允许只支持NSA的手机入网。
高通的X50基带,只能支持NSA,不支持SA。X55基带同时支持NSA和SA。华为的基带,也是同时支持NSA和SA。
网络切片
5G的网络切片(Network Slicing),是指将网络资源分为多个虚拟网络,以满足不同服务的要求。每个虚拟网络之间,包括网络内的设备、接入、传输和核心网,都是逻辑独立的。任何一个虚拟网络发生故障都中不会影响到其他虚拟网络。
尽管有不同的架构方式,但是下面这种架构可能是比较通用的。
从高层的角度来看,网络切片架构可以认为是由两个核心模块组成:一个专用于实际的切片实现,另一个专用于切片管理和配置。
第一个模块被设计为由三层组成的体系结构,其中每一层都通过不同的任务为分片定义和部署做出贡献。第二个模块设计为集中式网络实体,通常表示为网络切片控制器,它监视和管理三层之间的功能,以便有效地协调多个切片的共存。
- 服务层:服务层直接与共享基础物理网络的网络业务实体对接,并提供对服务要求的统一视角。
- 网络功能层:网络功能层根据来自上层的服务实例请求负责每个网络切片的创建。它由体现明确定义的行为和接口的一组网络功能组成。
- 基础设施层:基础结构层表示实际的物理网络拓扑结构(无线电访问网络,传输网络和核心网络),每个网络切片都在该物理拓扑上进行多路复用,并且它提供物理网络资源以承载组成每个切片的若干网络功能。
根据不同的业务需求,网络在统一的底层物理设施基础上通过虚拟化生成相应的网络拓扑以及网络功能,为每一个特定业务类型生成的一系列网络功能的组合即为一个网络切片,每一个网络切片在物理上是源自统一的网络基础设施上,这样大大降低了运营商运营多个不同业务类型的建网成本;而在逻辑上又是隔离的,逻辑的独立性满足了每一类业务功能定制,独立运维的需求。
以上图为例,eMBB, uRLLC以及mMTC 三个独立的切片承载于同一套底层物理设施之上。
在eMBB切片中,对带宽有很高的要求,可以在城域机房的移动云引擎中部署缓存服务器 Cache,使业务更贴近用户,降低骨干网的带宽需求并提高用户体验。
在uRLLC切片中, 自动驾驶/辅助驾驶,远程控制等场景对网络有着极为苛刻的时延要求,因此需要将RAN的实 时处理及非实时处理功能单元部署在更靠近用户的站点侧,并在CO机房的移动云引擎中部署相应的服务器(V2X Server)及业务网关,城域及区域数据中心中只部署控制面相关的功能。
在mMTC切片中,对于大多数MTC场景,网络中交互的数据量较小,信令交互的频率也较低,因此可以将移动云引擎部署在城域数据中心,将其他功能以及应用服务器部署在区域数据中心,释放 CO机房的资源,降低运营商开销。
多址技术
在无线通信系统中,当多个用户同时通过同一个基站和其他用户进行通信时,必须对不同用户和基站发出的信号赋予不同特征。这些特征使基站从众多手机发射的信号中,区分出是哪一个用户的手机发出来的信号;各用户的手机能在基站发出的信号中,识别出哪一个是发给自己的信号。
在无线通信系统中,使用多址技术完成上面所说的区分(即:寻址)。
每一代通信技术所使用的多址技术不一样,具体如下:
通信世代 | 多址技术 | 全称 | 中文 | 说明 |
---|---|---|---|---|
1G | FDMA | Frequency Division Multiple Access | 频分多址 | FDMA是通过在不同的频率上传输不同用户的数据,来实现用户数据的区分。 |
2G | TDMA | Time Division Multiple Access | 时分多址 | TDMA是在同一个频段上在时间上进行划分(时隙),然后分给不同的用户使用,每个用户只在属于自己的时隙里通信。 |
3G | CDMA | Code Division Multiple Access | 码分多址 | CDMA的基本思想是靠不同的地址码来区分的地址。每个配有不同的地址码,用户所发射的载波(为同一载波)既受基带数字信号调制,又受地址码调制,接收时,只有确知其配给地址码的接收机,才能解调出相应的基带信号 |
4G | OFDMA | Orthogonal Frequency Division Multiple Access | 正交频分多址 | OFDMA是OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术的演进 |
FDMA和TDMA都比较好理解。FDMA是类似于车道的做法:将一条道路(基站的通信频段)拆分成多个车道(频率),每个用户的数据行驶在不同的车道上。TDMA类似于计算机CPU的做法:将共享的资源(信道)按时间间隙分给多个人同时使用。
CDMA的做法类似于我们寄送包裹,每个包裹上写了收件人的信息,只有相应的收件人才能打开包裹获取里面的数据。
OFDMA就比较高级了,OFDMA是在正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)技术的基础上发展起来的一种多址接入方式。由于在OFDM调制中子载波之间相对独立,每个子载波都可以被指定一个特定的调制方式和发射功率。OFDMA通过为每个用户在不同的时隙提供不同的可用子载波实现多用户接入,并以子载波的频率来区分用户。由此可见,OFDMA结合了FDMA和TDMA的特点。
上述各种的多址方式,无论哪种都是将基站资源切分开给多个用户使用。但是随着用户越来越多,每个用户分到的资源就越来越少。当用户密集到一定程度,每个用户的资源就非常可怜了。这就是为什么在参与大型活动时,你会发现你的手机几乎无法联网。
为了满足5G的网络需求,5G的多址技术的资源利用必须更加灵活高效。从1G到4G的多址接入主要采用正交的资源分配方式,接入用户数受资源数的限制,无法满足5G海量连接的业务需求。为实现在有限的资源上接入更多的用户,5G新型多址技术在发送端通过不同维度(如码域、功率域、交织域等)处理将多用户信号在时频资源上进行非正交叠加,而在接收端通过先进的多用户检测技术实现多用户信号的分离。新型多址接入技术通过在相同资源上复用多个用户,大大增加了网络中的用户连接数。由于用户有更多机会接入,网络整体吞吐量和频谱效率也得到了提升。此外,采用新型多址接入技术可以更好地实现免调度接入,实现低时延通信,降低设备功耗。
目前,业界提出的候选新型多址技术主要包括:
- 功率域非正交多址接入(NonOrthogonalMultipleAccess,NOMA)
- 图样分割多址接入(PatternDivisionMultipleAccess,PDMA)
- 稀疏码分多址接入(SparseCodeMultipleAccess,SCMA)
- 多用户共享接入(MultiUserSharedAccess,MUSA)
- 交织网格多址接入(InterleaveGridMultipleAccess,IGMA)
5G应用
前面我们已经看到,5G具有高网速、低延迟的特性,并且支持大规模的机器通信。随着5G的普及,必将在许多的行业中的得到应用。
这其中,最为突出的可能是下面五个行业:
- 工业制造:大规模的机器通信能力使得可以构建大规模的自动化系统,低延迟的特性使得远程控制可以在工业上使用。
- 交通出行:自动驾驶,数字化道路,信息化社会将会逐步普及。行驶在道路上的汽车,从主要与人打交道,将更多的与道路和周围环境产生交互。
- 医疗健康:人类医生的手术,很难精确到毫米级别的精度。并且,由于人类手的体积和构造,有些手术很难完成。还有,由于人体的衰老,同样一个医生在不同的年龄时期,其所达到的手术精度也会存在差异。而如果让机器人来完成这一工作,这些问题都将不存在。另外,机器人还可以轻易的实现7x24小时的无间断监护。
- 媒体娱乐:目前,想要玩到3A级的大型游戏,你可能需要购买一台游戏主机。这些主机比大家通常用的电脑都要更加强劲。但是,如果有足够好的带宽和足够低的延迟,我们完全可以通过云端来玩游戏,所有的一切都运行在远程服务器上,你只需要一个显示屏和输入手柄即可。再者,5G将进一步助力AR/VR的实现。
- 能源能量:物联网这个词大家意见听了多年,现在淘宝上可以买到很多种家用的物联网产品。但事实上,物联网在工业上可能会有更大的作为。试想一下,超大规模的太阳能部署,或者风能发电的部署,将使我们获得更多清洁低成本的能源。而这些系统依赖的就是需要稳定高效的互联网络。
参考资料与推荐读物
备注:由于我本身并非通信专业毕业,也没有这方面的工作经验。因此为了写本文我阅读了比较多的资料。这其中,非常感谢BOO聊通信的系列文章:《给忙碌者的5G基础知识课》。“BOO聊通信”的文章通俗易懂而且诙谐搞笑,强烈推荐给大家。
- 给忙碌者的5G基础知识课 - 系列文章
- 同济大学-尹学锋教授《5G!谁与争锋》
- 5G EXPLAINED - HOW 5G WORKS
- 2020中国5G经济报告
- The 5G Infrastructure Association Pre-Structuring Model Phase 3.II Version 2.0
- 华为:5G网络架构-顶层设计理念
- 华为:5G网络切片白皮书
- 5G PPP:5G empowering vertical industries
- 5G Wireless Network Slicing for eMBB, URLLC, and mMTC: A Communication-Theoretic View
- 李永乐老师:电磁波有哪几类,在生活中怎么应用的?
- QUALCOMM + NOKAI:Making 5G a reality
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