北邮通信博士万字长文,带你秒懂 4G/5G 区别!

2019-06-24 11:05 稿源:CSDN公众号  0条评论

5G

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现在,普通用户对5G充满希望,许多人认为它将是一场变革 – 改进的用户体验、新的应用、新的商业模式和新的服务将伴随着千兆比速率、低延迟、大容量、低能耗更加先进的网络性能和可靠性应运而生。 

然而,运营商和一些通信行业人士却对商业案例持怀疑态度 - 5G技术尚不成熟、部署5G需要大量投资,警告声不绝于耳。ITU发布的报告中[2]曾估计,在假设光纤回程在商业上可行的情况下,5G部署成本可从小城市 的 680 万美元到人口密集大城市的 5550 万美元不等;而单站的部署成本大约在 20000 美元到 50000 美元之间(注:这里提到的成本是投资成本CAPEX,不包含长期运维成本)。 

国际电信联盟(ITU)在 2015 年 9 月发布M.2083- 0 号建议[1]时(面向 2020 年及之后的国际移动通信结构和目标),时任电信发展局主任的布哈伊马•萨努就已经意识到他们正在揭开一场波澜壮阔却又争议丛生的通信行业新篇章。 

不过他或许没有想到的是,在 4 年后的今天,5G会成为人工智能以后又一个热点,引来全民讨论和追逐,引来大国战略博弈,甚至因此催化了5G商用步伐。 

有人欢喜,有人忧虑,有人觉得充满前景,有人认为会彻底失败,众说纷纭。每个人都有自己的坚持,本文将从需求、技术角度聊聊5G的愿景、技术,简单谈谈作者对这些技术的理解。

移动通信系统演进

自从人类社会诞生以来,如何高效、快捷、可靠地传输信息始终是人类矢志不渝的追求。从文字到印刷术,从欧洲古老的光信号塔到现代无线电,从手工转接电话到宽带移动互联网,可以这么认为,现代科技发展速度一直被信息传播速度所直接影响。从这个角度来看,现在商用移动通信网络或许能被称作全球信息传播系统中的最重要组成部分。 

它的影响潜移默化,时至今日虽然很多人都因为信息爆炸而憧憬车马邮件都慢的古铜色历史,但如果真的没有网络,没有信号,我想大部分人的工作和生活都会无法正常进行。 

与此同时,有一种观点这么认为,移动通信系统现象级的成功主要来自于极为快速的技术创新和迭代。从 20 世纪 70 年代初贝尔实验室研制出第一代移动通信系统(先进移动电话系统,AMPS)到 21 世纪初的第四代移动通信系统,移动通信系统已经完成了从模拟通信到数字通信、从纯电路交换到全IP交换、从CDMA到OFDM的数次技术更新,每一次更新都带来了更快的速度、更低的延迟和更多的特性,也带来了更好的用户体验(参见下图中1-5G的技术和性能对比)。 

注:图中速率均不考虑载波聚合等,特别感谢华为资深工程师赖振波提出的建议

实际上,为了统一全球通信标准以方便用户国际漫游等需求,自从3G以来,ITU一直致力于从各地区的工作小组和工作论坛中搜集整理未来通信行业需要解决的问题,并每十年左右发布一次官方建议文件,作为此代通信系统的设计目标,并从全世界收集符合该目标的技术标准,这些标准通常由类似3GPP或者IEEE的组织制定提交,由ITU验证评估。 

可以认为这些快速迭代的建议目标是符合当下未来十年的通信需求的。当然,因为商业和政策问题,当存在竞争标准时,符合这些目标的标准集合不一定会完全成功,两个非常典型的例子就是TD-SCDMA和WiMax。

那为什么ITU需要发布IMT-2020(5G)建议?

一些数据可能能够说明问题:

截止 2016 年底,LTE系统已经覆盖了21. 7 亿人,包含世界上大部分国家地区 ,连接数几乎以每年翻倍的势头增长, 2015 年LTE的连接数达到十亿,预计到 2021 年可能达到 43 亿。如果想要用LTE系统同时服务物联网设备,那么 2022 年左右总连接数可能达到 180 亿,这已经完全超过了当前LTE系统的负载能力。 

当然,一种比较简单粗暴的想法是直接增加基站,但是这样做又会带来很多新问题:在4G(IMT-Advance)的设计目标里,并没有考虑能耗和二氧化碳排放量等等问题;虽然3GPP提出的LTE系统有考虑物联网设备,但是物联网本身的关键性能也没有在4G的设计目标占据一席之地;更加严重的问题是,因为4G中技术选型、调制方式设置和单载波频带宽度等等问题,4G网络已经达到它设计之初的理论速度上限[2],与之类似的还有频谱利用率,移动性,服务质量等等指标。 

当房子里的住户每次走进房门都需要考虑是不是撞到头的时候,或许就是考虑换个门的时候了。 

因此,ITU在 2015 年提出了新的IMT- 2020 目标,5G拉开了序幕。

    

      

IMT- 2020 是第五代移动通信系统的需要满足的目标。单纯就IMT- 2020 来说,其增强型移动宽带的峰值数据速率需要达到10Gbit/s,在某些场景下需要支持20Gbit/s的峰值数据速率;用户有望体验到的带宽达100Mbit/s;整个网络的能耗应当比现存的IMT-advanced系统低 100 倍;无线往返延迟<1ms;支持500km/h的高移动性服务等等;同时划分了三个重要场景增强型移动宽带(eMBB),海量机器通信(mMTC)和超可靠低延迟通信(URLLC)。 

当IMT- 2020 建议发布之后,ITU就当了甩手甲方,坐等验收了。那么如何组织各项无线通信技术来构成一个系统来满足5G目标,怎么设计这个通信系统就甩给了3GPP和IEEE等标准化组织。

5G中为了使网络虚拟化,在接入网采用了C-RAN技术,它将基站控制单元放置在基带池中,那么基带池就成为了一个天然的小型数据中心。这样的小型数据中心有能力为基站池所服务的范围内用户提供一些计算/储存等缓存,如果部署在基站附近,或者就是某些基站本身,这种方式我们成为边缘计算。

怎么才能才能设计一个通信系统达到5G预想的目标?

4G本身是比较成功的,它已经建立了一个技术底线,那么怎么从浩如烟海的通信理论中找到可用的技术方案,据此提出标准提案,并让所有这些标准组合起来的整个系统性能可以达到ITU目标呢?更重要的是,要同时实现公司利益最大化?这或许是 15 年 8 月以来让加入3GPP的各大公司最头疼的事儿了。 

不同公司有不同的选择:有实力的通信公司会选择自己预研先进的通信技术,预先布局,然后根据自己的技术积累做出提案,而没有实力做太多预研的公司,或许需要考虑自己的利益最大化来选择提案支持。 

不过总体来说,有那么几种新技术是大家都看好的,就是很多文章都有提到的: 

毫米波(mmWave),大规模天线(massive MIMO),网络虚拟化(NFV)/切片,改进的OFDM调制方式,Polar码,边缘计算,C-RAN。 

同时,优化4G系统也衍生出了很多新的设计方案,所以从目前(Rel 15)来看,整个5G的调整是这样的(如下表): 

注:边缘计算、C-RAN目前并未在Release15 中定义。

我想如果详细解释这些技术和调整,需要从头讲起。

5G的新无线技术(基站部分)

无线通信的最重要的任务之一是获得更快的传输速度。对于此,我们有一个非常简单的衡量指标:任何通信系统的信道容量(最大数据传输速度)总是可以通过香农公式和信道容量来描述。

那么很自然的,我们始终可以通过提高无线电的频带宽度和信噪比两种指标来获得更快的传输速度。为此,移动通信系统的单载波带宽从2G时代的200kHz,发展到3G时代的5MHz,4G时代的20MHz(可变),直到现在3GPP 5G Release15 中支持最大单载波带宽400MHz(可变)。 

注:当前eMBB场景中sub 6G基站(就是目前正在商用的非毫米波基站)推荐使用的是100MHz单载波带宽。 

而实际上,运营商从无线电管理部门的频谱宽度不可能刚好是20MHz(4G)或者100MHz(5G)这样的单载波带宽。比如移动在4G时代就曾获得1880 -1900 MHz(Bands:39)、2320-2370 MHz(Bands:40)、2575-2635 MHz(Bands:41),它们的频带宽度分别是20MHz,50MHz,60MHz。 

这样的现实情况结果是运营商可以选择在自己的频带上同时传输多个载波。这些载波可以服务不同的用户来提高小区容量,也可以同时服务一个用户来提高单用户峰值速率。 

当n个单载波服务一个用户时,用户能获得的频带宽度就是单载波带宽的n次倍,这样用户体验到的速度也能提高n次倍。这就是另外一种通过提高带宽,提高用户速率的手段载波聚合。 

    

 

所以在4G后期,出现了很多通过支持三载波聚合获得高达600Mbps传输速度的LTE-A基站和手机终端。在5G中,载波聚合会因为可变帧参数得到更广泛的应用,比如可以将用于毫米波的400 MHz (@120 kHz)载波与用于sub 6G的100 MHz (@ 30 kHz)载波聚合,获得更快传输速度。

毫米波

正如我们之前所说,一种提高数据传输速率的方式是增大频带宽度,但是现实中会面临一些囧境:现有的商用无线电频段(300MHz-3GHz)因为穿透性好,覆盖范围大而太过于拥挤,这部分频段经很难找到闲置的频谱用来通信。 

 

所以现有的方式就是往3GHz以上寻找可用频段,而3GHz以上可用的频谱之一就是毫米波频段了。从长远来看,抛弃我们毫米波频谱中两个特殊的部分:氧气吸收和水蒸气吸收频谱,剩余部分带宽(252GHz)也远远大于现存的1-4G商用频谱之和(3GHz),足以满足未来带宽的需求。 

固然毫米波频段有大量频谱可供使用,但是依然遇到了一些基础性问题:电信号在传播的过程中会遭遇非常严重的路衰和雨衰,因此毫米波一般只能用于视距通信,无法承受遮挡,而且在多障碍物的室内会引发严重的多径效应。 

注:多径效应的后果是接收机难以分清信号主径,在这种情况下,不同路径的信号会因为到达时间不同,产生相互干扰,降低接收机信噪比。 

同时,毫米波频段因为接近氧气和水蒸气吸收频段,人体会对毫米波频段信号传播产生很大衰减。这种情况下当手机内部天线放置不当时,即使手握手机也会显著影响信号质量,这对手机厂商的毫米波天线设计方案也带来了挑战。此外,毫米波芯片功耗比较大,射频和天线部分都有较明显的设计难题,目前国内的部署方案主要采用sub6G频段完成5G覆盖,毫米波覆盖主要在美国等国家进行。 

虽然毫米波频谱利用有很大挑战,但是目前毫米波频谱需要被用于5G通信已经成为业界共识。主要原因是如果想要完成5G通信中高速数据传输目标,毫米波频段的使用是重中之重。因此业界一直在积极探索可能性和现实性。 

早在 2016 年初,3GPP、美国联邦通信委员会(FCC)、欧盟委员会无线频谱政策组(RSPG)、中国工信部和韩国、日本、澳大利亚、加拿大、新加坡等国均开展了针对毫米波频段的规划及测量研究。在目前公布的3GPP R15 中,由3GPP RAN4 工作组分配及定义了52.6GHz以下频谱,而100GHz以下的频谱将在今年年底的R16 中分配完成[3]。

  不过,目前针对毫米波频段的使用还存在另一大争议,24GHz附近的n258 频段可能会对射电天文和天气预测等设备产生一定干扰,可能会影响到卫星通信、太空探测和气象预测等业务。根据ITU在 2018 年底TG 5/ 1 工作组的无线电兼容共存报告,对于射电天文业务,23.4GHz-24GHz频谱应设立34- 52 公里的保护间隔,可以限制干扰。

但是即使如此,n258 频谱的分配也因此在美国遭到了商务部和美国航空航天局(NASA)的强烈反对。

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