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5G的基本特点与关键技术
5G的基本特点与关键技术
[导读]从1G到4G,移动通信的核心是人与人之间的通信,个人的通信是移动通信的核心业务。
从1G到4G,移动通信的核心是人与人之间的通信,个人的通信是移动通信的核心业务。
但是5G的通信不仅仅是人的通信,而是物联网、工业自动化、无人驾驶被引入,通信从人与人之间通信开始转向人与物的通信,直至机器与机器的通信。
第五代移动通信技术(5G)是目前移动通信技术发展的最高峰,也是人类希望不仅改变生活,更要改变社会的重要力量。
5G是在4G基础上,对于移动通信提出更高的要求,它不仅在速度而且还在功耗、时延等多个方面有了全新的提升。
由此业务也会有巨大提升,互联网的发展也将从移动互联网进入智能互联网时代。
5G的三大场景
国际标准化组织3GPP定义了5G的三大场景。
其中,eMBB指3D/超高清视频等大流量移动宽带业务,mMTC指大规模物联网业务,URLLC指如无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。
通过3GPP的三大场景定义我们可以看出,对于5G,世界通信业的普遍看法是它不仅应具备高速度,还应满足低时延这样更高的要求,尽管高速度依然是它的一个组成部分。
从1G到4G,移动通信的核心是人与人之间的通信,个人的通信是移动通信的核心业务。
但是5G的通信不仅仅是人的通信,而且是物联网、工业自动化、无人驾驶等业务被引入,通信从人与人之间通信,开始转向人与物的通信,直至机器与机器之间的通信。
5G的三大场景显然对通信提出了更高的要求,不仅要解决一直需要解决的速度问题,把更高的速率提供给用户;而且对功耗、时延等提出了更高的要求,一些方面已经完全超出了我们对传统通信的理解,把更多的应用能力整合到5G中。
这就对通信技术提出了更高要求。
在这三大场景下,5G具有6大基本特点。
5G的六大基本特点
高速度
相对于4G,5G要解决的第一个问题就是高速度。
网络速度提升,用户体验与感受才会有较大提高,网络才能面对VR/超高清业务时不受限制,对网络速度要求很高的业务才能被广泛推广和使用。
因此,5G第一个特点就定义了速度的提升。
其实和每一代通信技术一样,确切说5G的速度到底是多少是很难的,一方面峰值速度和用户的实际体验速度不一样,不同的技术不同的时期速率也会不同。
对于5G的基站峰值要求不低于20Gb/s,当然这个速度是峰值速度,不是每一个用户的体验。
随着新技术使用,这个速度还有提升的空间。
这样一个速度,意味着用户可以每秒钟下载一部高清电影,也可能支持VR视频。
这样的高速度给未来对速度有很高要求的业务提供了机会和可能。
泛在网
随着业务的发展,网络业务需要无所不包,广泛存在。
只有这样才能支持更加丰富的业务,才能在复杂的场景上使用。
泛在网有两个层面的含义。
一是广泛覆盖,一是纵深覆盖。
广泛是指我们社会生活的各个地方,需要广覆盖,以前高山峡谷就不一定需要网络覆盖,因为生活的人很少,但是如果能覆盖5G,可以大量部署传感器,进行环境、空气质量甚至地貌变化、地震的监测,这就非常有价值。
5G可以为更多这类应用提供网络。
纵深是指我们生活中,虽然已经有网络部署,但是需要进入更高品质的深度覆盖。
我们今天家中已经有了4G网络,但是家中的卫生间可能网络质量不是太好,地下停车库基本没信号,现在是可以接受的状态。
5G的到来,可把以前网络品质不好的卫生间、地下停车库等都用很好的5G网络广泛覆盖。
一定程度上,泛在网比高速度还重要,只是建一个少数地方覆盖、速度很高的网络,并不能保证5G的服务与体验,而泛在网才是5G体验的一个根本保证。
在3GPP的三大场景没有讲泛在网,但是泛在的要求是隐含在所有场景中的。
低功耗
5G要支持大规模物联网应用,就必须要有功耗的要求。
这些年,可穿戴产品有一定发展,但是遇到很多瓶颈,最大的瓶颈是体验较差。
以智能手表为例,每天充电,甚至不到一天就需要充电。
所有物联网产品都需要通信与能源,虽然今天通信可以通过多种手段实现,但是能源的供应只能靠电池。
通信过程若消耗大量的能量,就很难让物联网产品被用户广泛接受。
如果能把功耗降下来,让大部分物联网产品一周充一次电,甚或一个月充一次电,就能大大改善用户体验,促进物联网产品的快速普及。
eMTC基于LTE协议演进而来,为了更加适合物与物之间的通信,也为了更低的成本,对LTE协议进行了裁剪和优化。
eMTC基于蜂窝网络进行部署,其用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽,可以直接接入现有的LTE网络。
eMTC支持上下行最大1Mbps的峰值速率。
而NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180kHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。
NB-IoT其实基于GSM网络和UMTS网络就可以进行部署,它不需要和5G的核心技术那样需重新建设网络,但是,虽然它部署在GSM和UMTS的网络上,还是一个重新建设的网络,而它的能力是大大降低功耗,也是为了满足5G对于低功耗物联网应用场景的需要,和eMTC一样,是5G网络体系的一个组成部分。
低时延
5G的一个新场景是无人驾驶、工业自动化的高可靠连接。
人与人之间进行信息交流,140毫秒的时延是可以接受的,但是如果这个时延用于无人驾驶、工业自动化就无法接受。
5G对于时延的最低要求是1毫秒,甚至更低。
这就对网络提出严酷的要求。
而5G是这些新领域应用的必然要求。
无人驾驶汽车,需要中央控制中心和汽车进行互联,车与车之间也应进行互联,在高速度行动中,一个制动,需要瞬间把信息送到车上做出反应,100毫秒左右的时间,车就会冲出几十米,这就需要在最短的时延中,把信息送到车上,进行制动与车控反应。
无人驾驶飞机更是如此。
如数百架无人驾驶编队飞行,极小的偏差就会导致碰撞和事故,这就需要在极小的时延中,把信息传递给飞行中的无人驾驶飞机。
工业自动化过程中,一个机械臂的操作,如果要做到极精细化,保证工作的高品质与精准性,也是需要极小的时延,最及时地做出反应。
这些特征,在传统的人与人通信,甚至人与机器通信时,要求都不那么高,因为人的反应是较慢的,也不需要机器那么高的效率与精细化。
而无论是无人驾驶飞机、无人驾驶汽车还是工业自动化,都是高速度运行,还需要在高速中保证及时信息传递和及时反应,这就对时延提出了极高要求。
要满足低时延的要求,需要在5G网络建构中找到各种办法,减少时延。
边缘计算这样的技术也会被采用到5G的网络架构中。
万物互联
传统通信中,终端是非常有限的,固定电话时代,电话是以人群为定义的。
而手机时代,终端数量有了巨大爆发,手机是按个人应用来定义的。
到了5G时代,终端不是按人来定义,因为每人可能拥有数个,每个家庭可能拥有数个终端。
2018年,中国移动终端用户已经达到14亿,这其中以手机为主。
而通信业对5G的愿景是每一平方公里,可以支撑100万个移动终端。
未来接入到网络中的终端,不仅是我们今天的手机,还会有更多千奇百怪的产品。
可以说,我们生活中每一个产品都有可能通过5G接入网络。
我们的眼镜、手机、衣服、腰带、鞋子都有可能接入网络,成为智能产品。
家中的门窗、门锁、空气净化器、新风机、加湿器、空调、冰箱、洗衣机都可能进入智能时代,也通过5G接入网络,我们的家庭成为智慧家庭。
而社会生活中大量以前不可能联网的设备也会进行联网工作,更加智能。
汽车、井盖、电线杆、垃圾桶这些公共设施,以前管理起来非常难,也很难做到智能化。
而5G可以让这些设备都成为智能设备。
重构安全
安全问题似乎并不是3GPP讨论的基本问题,但是它也应该成为5G的一个基本特点。
传统的互联网要解决的是信息速度、无障碍的传输,自由、开放、共享是互联网的基本精神,但是在5G基础上建立的是智能互联网。
智能互联网不仅是要实现信息传输,还要建立起一个社会和生活的新机制与新体系。
智能互联网的基本精神是安全、管理、高效、方便。
安全是5G之后的智能互联网第一位的要求。
假设5G建设起来却无法重新构建安全体系,那么会产生巨大的破坏力。
如果我们的无人驾驶系统很容易攻破,就会像电影上展现的那样,道路上汽车被黑客控制,智能健康系统被攻破,大量用户的健康信息被泄露,智慧家庭被攻破,家中安全根本无保障。
这种情况不应该出现,出了问题也不是修修补补可以解决的。
在5G的网络构建中,在底层就应该解决安全问题,从网络建设之初,就应该加入安全机制,信息应该加密,网络并不应该是开放的,对于特殊的服务需要建立起专门的安全机制。
网络不是完全中立、公平的。
举一个简单的例子:
网络保证上,普通用户上网,可能只有一套系统保证其网络畅通,用户可能会面临拥堵。
但是智能交通体系,需要多套系统保证其安全运行,保证其网络品质,在网络出现拥堵时,必须保证智能交通体系的网络畅通。
而这个体系也不是一般终端可以接入实现管理与控制的。
5G的关键技术
5G作为新一代的移动通信技术,它的网络结构、网络能力和要求都与过去有很大不同,有大量技术被整合在其中。
其核心技术简述如下:
基于OFDM优化的波形和多址接入
5G采用基于OFDM化的波形和多址接入技术,因为OFDM技术被当今的4GLTE和Wi-Fi系统广泛采用,因其可扩展至大带宽应用,而具有高频谱效率和较低的数据复杂性,能够很好地满足5G要求。
OFDM技术家族可实现多种增强功能,例如通过加窗或滤波增强频率本地化、在不同用户与服务间提高多路传输效率,以及创建单载波OFDM波形,实现高能效上行链路传输。
实现可扩展的OFDM间隔参数配置
通过OFDM子载波之间的15kHz间隔(固定的OFDM参数配置),LTE最高可支持20MHz的载波带宽。
为了支持更丰富的频谱类型/带(为了连接尽可能丰富的设备,5G将利用所有能利用的频谱,如毫米微波、非授权频段)和部署方式。
5GNR将引入可扩展的OFDM间隔参数配置。
这一点至关重要,因为当FFT(FastFourierTransform,快速傅里叶变换)为更大带宽扩展尺寸时,必须保证不会增加处理的复杂性。
而为了支持多种部署模式的不同信道宽度,5GNR必须适应同一部署下不同的参数配置,在统一的框架下提高多路传输效率。
另外,5GNR也能跨参数实现载波聚合,比如聚合毫米波和6GHz以下频段的载波。
OFDM加窗提高多路传输效率
5G将被应用于大规模物联网,这意味着会有数十亿设备在相互连接,5G势必要提高多路传输的效率,以应对大规模物联网的挑战。
为了相邻频带不相互干扰,频带内和频带外信号辐射必须尽可能小。
OFDM能实现波形后处理(post-processing),如时域加窗或频域滤波,来提升频率局域化。
灵活的框架设计
设计5GNR的同时,采用灵活的5G网络架构,进一步提高5G服务多路传输的效率。
这种灵活性既体现在频域,更体现在时域上,5GNR的框架能充分满足5G的不同服务和应用场景。
这包括可扩展的时间间隔(STTI,ScalableTransmissionTimeInterval),自包含集成子帧(Self-containedintegratedsubframe)。
先进的新型无线技术
5G演进的同时,LTE本身也还在不断进化(比如最近实现的千兆级4G+),5G不可避免地要利用目前用在4GLTE上的先进技术,如载波聚合、MIMO、非共享频谱等。
这包括众多成熟的通信技术:
大规模MIMO:
从2×2提高到了目前4×4MIMO。
更多的天线也意味着占用更多的空间,要在空间有限的设备中容纳进更多天线显然不现实,只能在基站端叠加更多MIMO。
从目前的理论来看,5GNR可以在基站端使用最多256根天线,而通过天线的二维排布,可以实现3D波束成型,从而提高信道容量和覆盖。
毫米波:
全新5G技术正首次将频率大于
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