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看!5G就在眼前!

2019-08-01 14:05     中国发展网

当4G网络在全球开始商用的同时,第五代移动通信技术已在研究中, 2019年6月6日,中国正式发放5G商用牌照。4G因其被定义为“长期演进”而取名LTE,5G则因采用基于OFDM的全新空口设计的全球性标准,而被称为5G NR(New Radio,新空口技术)。

2018年,工业和信息化部下发通知,明确了我国的5G初始中频频段——3.3~3.6GHz,4.8~5GHz两个频段,同时,24.75~27.5GHz、37~42.5GHz高频频段正在征集意见。

目前,国际上主要使用 28GHz进行试验,如果按照28GHz来算,微波波长大约只有10.7mm,这就是5G的第一个技术特点——毫米波!

那为什么之前我们不使用毫米波呢?原因很简单,不是不想用,而是用不起!电磁波的一个显著特征是,频率越高,波长越短,就越趋近于直线传播,绕射能力越差,并且,频率过高,传播过程中的衰减也会越大,遇到雨雪天气,高频波就会产生雨衰现象。这就是为什么卫星通信、GPS导航的 10mm波,如果有遮挡物就没信号了。如果5G用高频段,那么它的问题显而易见:覆盖能力会大幅度减弱,如果要覆盖同一个区域,需要的基站数量会远远大于 3G、4G。

在高频率的前提下,为了减轻覆盖方面的成本压力,5G必须寻找新的出路,首先,是微基站——注意,不是“伪基站”。

基站按照覆盖面积和本身体积来看,可以分为微基站和宏基站两种,以前都是宏基站,体积大,覆盖面积大。而在5G时代,更多的将是微基站,到处都装,几百米一个,随处可见,因此不得不做出千奇百怪的造型,灵活地与周围环境相融合,避免用户在心理上产生不适感。

5G还有几项很牛的黑科技,来优化无线通信网络。下面让我们介绍主要的几种。

大规模多入多出(Massive MIMO)。当然,高频率、微基站带来的好处是,手机天线可以更小了。前面我们介绍过,天线长度应该与波长成正比,大概是波长的四分之一,频率越高,波长越短,天线也随之变短,对于10mm 波,天线只需要2.5mm,完全可以塞进手机里,甚至可以塞很多根,这就是5G的Massive MIMO。其实在4G时代就已经有MIMO了,5G继续发扬光大,变成了LTE的加强版。如果说在4G及之前的时代,天线以“根”来计,那么在5G时代,天线可以按“阵列”来算,当然,为了避免无线信号之间的干扰,在天线阵列中,任何两根天线之间的距离必须保持在半个波长以上。

波束赋形。大家都见过灯泡发光吧?其实基站发射信号有点像灯泡发光,信号是向四周发射的,对于光,当然是照亮整个房间,如果只是想照亮某个区域或物体,那么大部分光都浪费了,基站也是一样的,大量的能量和资源都白白浪费掉了。因此,我们需要一只无形的手,把散开的光(微波)束缚起来,朝着目标方向照射(发射)。波束赋形就是这么一只无形的手。在基站上布设天线阵列,通过对射频信号相位的控制,使得相互作用后的电磁波的“波瓣”变得非常狭窄,并指向它所提供服务的手机,而能根据手机的移动而转变方向。这样,微波就从漫无目的的“炸弹”变成了具有导向能力的“导弹”,准确地“砸”向目标,带来的效果是,手机信号会变得更强,能量也会大幅度节约。这是一种新的空间复用技术,由全向的信号覆盖变为精准指向性服务,且波束之间不会干扰,在同样大小的空间中提供更多的通信链路,极大地提高基站的服务容量。

设备到设备(D2D,Device to Device)。在4G及之前的技术,手机与手机之间的通信,必须通过基站,而在 5G 时代,情况发生了一些变化。在同一个基站下的两个用户,如果相互进行通信,他们的数据可以不通过基站转发,而是手机到手机。这将极大地节省空中资源,减轻基站压力,不过如果你觉得这样就不用付钱了,呵呵,要知道,控制消息还是通过基站转发的,而且用着频谱资源,运营商怎么能放过你?

核心网功能虚拟化。在5G网络的核心,SDN和NFV的崛起,让4G核心网那些“实体”“服务器”“网关”等和硬件相关的字眼荡然无存,虚拟化后的网络不再关注底层硬件,那些错综复杂的软件功能模块全部回炉重造,再淬火凝练成一个个软件意义上的网络功能(NF),每个网络功能逻辑上相当于一个网元,并且每个功能都完全独立自治。这些网络功能包括:网络切片选择(NSSF)、网络开放(NEF)、网络功能仓储(NRF)、策略控制(PCF)、统一数据管理(UDM)、鉴权服务器(AUSF)、接入及移动性管理(AMF)、会话管理(SMF)、用户面(UPF)和应用功能(AF)等(如下图所示)。

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图1  网络功能

正因为有了上述诸多黑科技,5G成为4G之后的革命性技术。如果将网络带宽比作高速公路,5G则是在4G的基础上,将高速公路进行了拓宽,并对时延等性能进行深度优化。5G的最高峰值可以达到10Gbit/s。传一个高清的视频,3G需要二三十分钟,4G可能只需要两分钟,而5G在10秒内就可以完成。对于时延敏感型的业务,如无人驾驶、实时控制,5G的支撑能力也非4G可比的。

2015年2月,中国IMT-2020(5G)推进组发布的5G概念白皮书认为,综合5G关键能力与核心技术,5G概念可由标志性能力指标和一组关键技术来共同定义。其中,5G标志性能力指标为“Gbit/s 用户体验速率”,一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。

上面已经介绍过的大规模天线阵列是提升系统频谱效率的最重要的技术手段之一,对满足 5G系统容量和速率需求将起到重要的支撑作用;超密集组网是指通过增加基站部署密度,可实现百倍量级的容量提升,是满足5G千倍容量增长需求的最主要手段 ;新型多址技术通过发送信号的叠加传输来提升系统的接入能力,可以有效地支撑5G网络海量设备连接需求 ;全频谱接入技术通过有效利用各类频谱资源,可有效缓解5G网络对频谱资源的巨大需求 ;新型网络架构基于SDN、NFV和云计算等先进技术可实现以用户为中心的更灵活、更智能、更高效和更开放的5G新型网络。

5G不仅仅是3G或者4G的速率升级,更重要的改进是,5G将适应未来的各种更加复杂的业务需求。为了满足这一要求,5G提出了“网络切片”的概念,其本质就是,将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络,每一个虚拟网络根据不同的服务需求,如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分,以灵活地应对不同的网络应用场景。前面介绍的利用切片技术,SDN、NFV都是为网络切片提供支持的。

下一期我们将为大家介绍5G网络所支持的应用场景分为三大类,敬请期待!

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《大话通信(第2版)》

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【责编:白杨】
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