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5G科普系列《我和我的5G》| (一)5G技术篇

作者:王坦 日期:2019-10-11 13:46:18 来源:中国无线电管理

引子

作为一名80后,从记事起到现在,我和我的家庭经历了从固定电话、拨号上网到宽带入户、提速降费,从网吧聊天室、家用台式机到平板电脑,从软盘、硬盘再到u盘、云存储,从BP机、大哥大、小灵通到智能手机。短短二三十年,我生活中的通信产生了翻天覆地的变化。刚上大学时,我拥有了自己的第一部2G手机,TFT屏幕,32和弦铃声,使用“动感地带”30元/月套餐,这些仿佛还在昨天。而今天,我们的国家就要迎来5G时代了。

从1G、2G、3G国民逐渐普及手机,到今天意气风发的4G,再到即将迎来的5G全面商用,我国移动通信产业在改革开放40年中取得了全世界令人瞩目的发展成就,切切实实惠及了每一个人。值此新中国成立70年之际,我们特此撰写5G科普文章,为人们进一步认识5G、迎接5G做出一份努力。


5G技术篇

5G的G,是英文Generation的缩写,就是“代”的意思。所以,5G就是“第五代”移动通信系统的简称。这就跟五环比四环多一环是一个意思。关于移动通信演进史的文章有很多,本文暂不赘述(一篇参考文章见:http://www.srrc.org.cn/dianxinri/list1.aspx?id=1)。
从1G到4G,每一代移动通信的变革都给我们带来了全新的体验。简单说,1G是话音服务,2G是“txt”也即短消息,3G是“jpg”也即图片等多媒体服务,4G则是“avi/mkv”等各种视频类服务,那5G打算干什么呢?

5G的“野心”

首先,5G在服务老百姓的日常通信需要上,各项指标当然要比4G更厉害啦。这也是5G看家本领,三大场景之一:增强的移动宽带(eMBB)。先看看在这方面5G比4G从能力上提高了多少吧。根据一项互联网报告,世界上最快的4G网速(平均63 Mb/s)和最快的宽带网速(平均189 Mb/s)加在一起,也没有 5G 的网速高(理论可达10Gb/s)。5G网速完全能够把他们按在地上摩擦。


网速的大幅提升,可以转化为很多能力的增强,比如:下载速度更快(高清电影下载以秒记),观看视频质量更高(1080p、4k、8k不是梦),多媒体服务模式更加先进(虚拟现实浸入式体验、增强现实等),在现有相同数据速率下支持更多用户同时在线、或单个用户时延大幅降低(减少网络卡顿、等待时间)等。
但如果你以为5G就这点能耐,那就大错特错了。
5G真正的“野心”,不在于连接人与人,而在于连接人与物、物与物。简言之,5G真正目标在于连接万物。这里面包括了5G三大场景的另外两个:高可靠低时延(URLLC)以及大规模机器通信(mMTC)。
什么是高可靠低时延?这展现了5G连接万物快、准、狠的能力。举个例子,人开车时,从发现情况到脚踩刹车,大脑反应时间一般是10毫秒到50毫秒(也即1秒的1%-5%那么长),而5G的低时延,能力要求是1至几毫秒的量级。此外,5G对通信可靠性的要求达到了5个9(99.999%)。针对这种能力,平时玩个手游、刷个网页、看个视频根本理解不到5G技术的厉害之处,而在自动驾驶、工业控制、远程医疗等对精度和时间要求很高的通信场景下,5G才能够最大限度的发挥出技术优势。


而在大规模机器通信方面,则展现出了5G连接万物的维度和广度。5G可以支持每平方公里接入100万个设备,是4G的10倍。随着5G连接万物能力逐渐渗透到我们日常生活的方方面面,我们家里的电视、冰箱、洗衣机、音箱、灯、水电燃气表、门锁,城市里的路灯、车辆、红绿灯、摄像头、物流,体育赛事、演唱会、联欢会的每一个视频录像机位,工厂里的产线、货架、机械臂,农田里的传感器、水管,每个病人所携带的传感器、监护仪,每一件食品、药品等等,全都可以在5G网络中拥有自己的一张“sim卡”,可以同你的手机直接建立连接。


注意,这些设备未来是可以直接连接到5G的哦,不是先通过家里WiFi或其它渠道间接与你的手机连接。这时你通过一部5G手机就真的实现了“信息随心至,万物触手及”的5G终极愿景。


5G技术简述

5G的上述“野心”绝不是信口开河,因为5G有一揽子新的通信技术来实现目标。这里我们细细道来。
通信技术,无论什么黑科技、白科技,只分两种——有线通信和无线通信。通常情况下,你手机里的语音、数据(包括你在各种App里点击等操作的信息),首先通过无线电波传递到附近的基站,然后通过光纤传递到核心网处理。接下来,如果你是要连接他人或物,相关消息会转发到你通信目标附近的基站,然后再用无线电波传递到对方的手机或电脑等其它终端;如果你是单方面获取互联网服务,那就是核心网通过连接其它互联网资源(如视频播放等),将你的请求所对应的反馈传递回给你。


其中,有线通信的传输,想要高速很容易,实验室中,单条光纤最大速度已达到了26Tbps(1Tbps = 1000 Gbps = 1000×1000 Mbps),是传统网线的两万六千倍。而无线通信的传输,才是整条通路的瓶颈。


上面这段话可能把你搞晕了。简单说,信息传递的路,要先走一段“无线通信”的小路、窄路,然后再汇聚到“有线通信”的超宽的高度公路,距离目的地“最后一公里时”,再从大路下到“无线通信”的小路,最终到达目的地。所以说,无线通信的那段路,是5G重点要加宽、提速的部分。除此之外,网络技术体现着5G在网络中处理信息、反馈信息、提供服务的效率,也是5G需要演进的内容。下面分别介绍。

5G无线技术“三驾马车”

无线通信想要提高容量,主要有这么三个维度:
一是提升手机等终端到基站“点到点”的网速;也即,把上文提到的无线通信的“小路”修的更加平整、畅通,让车速能够直接提高。
二是增加基站数量,增加手机等终端就近连接基站的机会;也即,多修建一些通向主干道的小路,车辆可以就近快速走上高速路;
三是增加更多的频谱,也即把小路修的宽一些,让小路上可以同时跑更多车、更宽更大型的车,并且跑的更顺畅。

不论哪一代移动通信演进,这“三驾马车”都会并驾齐驱。那么5G在这三方面都有什么黑科技呢?

黑科技一:大阵列天线的波束赋形

为了提升“点到点”信息传递的速度,5G大幅提高了天线数量,从传统4G的2发2收,到后4G时代的8发4收,到了5G现在叫大阵列天线,“大”到64发、128发甚至512发。


大阵列天线有什么好处呢?这时就该波束赋形这个黑科技亮相了。阵列天线通过对每一根天线的发射进行调整,可以实现整个天线阵列发出一个赋形、有指向的波束。


传统天线好比一个大路灯,灯泡朝向下方或者一个固定方向。这个时候虽然也照亮了某个位置的人,给他提供了服务,但是还有很多光的能量是射向其它没有人的地方的(没有发起通信业务需要),造成了很大的能量浪费。
而大阵列天线提供的波束赋形,就像是聚光灯,把光束打给正在需要被照亮的人,这样一方面节约了能量消耗,另一方面还可以让这个局部变得更亮,通信质量更好。
此外,大家不用担心天线数量增加会导致5G基站辐射变大。实际上,同等频段、覆盖条件下,单个5G基站的发射功率并没有显著增加,阵列天线是更好的利用了无线电波在空间多路传播带来的好处,来提高通信速率。
可能会有人问,那增加5G基站的数量是不是就会增加辐射了?请继续往下看。

黑科技二:微基站密集组网

简单说,基站有两种,微基站和宏基站。顾名思义,微基站很小,宏基站很大。宏基站通常一个覆盖一大片区域,几公里甚至十几公里。以后更多的将是微基站,到处都装,随处可见,每个覆盖约200米到300米。


那么增加基站会导致辐射增加吗?恰好相反,其实基站数量越多,辐射反而越小!试想一下:冬天一群人的房子里,一个大功率取暖器好,还是几个小功率取暖器好?


所以,基站越小巧,数量越多,覆盖反而越好,速度还快,能让更多手机就近接入高速公路。

黑科技三:5G新频谱

频谱就是无线通信的路。频谱资源的多与少,和5G无线通信的路宽直接对应。那么,5G的频谱究竟与3G/4G有哪些不同?中频段、毫米波指的又是什么?这里我就暂且卖个关子,请大家直接参见后面的频谱篇啦。
不过在阅读了大量帖子后发现,帖子里普遍有一个误区!那就是5G将重点使用甚至主要使用毫米波频段!如果这么认为那可就大错特错了。作为国家无线电频谱管理的技术机构,我们会在专题文章中给出全面的分析。
综上,5G在无线技术的三个维度方面都有新的突破和进展。当然,5G技术家族远远不止上文提到的这些,还有比如极化码、新型帧结构等厉害的技术,在此就不过多展开了。

5G网络技术

说完了5G无线技术,再来看看网络技术。
网络技术演进的主要目标,简单说就是提高基站在接收到手机等各类终端的请求之后,所展现出的响应速度、准确度等。
前面提到的,5G最大的“野心”就是向物联网拓展,除了面向老百姓日常通信,还要解决各类垂直行业通信的问题。此外,5G还给自己提出了极为苛刻的高可靠低时延的要求。那么5G的网络技术是怎么应对的呢?这里重点讲两项黑科技。

黑科技四:网络切片

5G网络之所以能够服务于多种垂直行业的应用场景,网络切片技术是当之无愧最重要的技术之一。
网络切片,是根据不同业务应用对用户数、服务质量的要求,将网络资源从逻辑上切分成多张相互独立的专用网络,也即“虚拟专用网络”。每个切片完全独立定义,用户可以快速灵活的部署网络。
5G网络就像一把瑞士军刀,有小刀、剪刀、锯子、瓶起子、开瓶器、指甲刀等多种功能(服务公众、工业、电力、交通、物流、家居等),用户有一种诉求,系统就掰一部分功能出去。


黑科技五:移动边缘计算

在说移动边缘计算之前,我们先简要回顾一下终端“计算”能力的发展变化。这里“计算”指的在手机等终端上为了通信所必须要处理的运算工作。
早期,所有计算都在终端上完成。
后来人们发现,一方面终端计算有瓶颈(终端体积导致的运算速度、电池耗电量等),另一方面,整个互联网上有很多公共的、闲置的计算资源,能力远大于终端,从而提出了分布式计算、云计算等,也即把本地需要的计算工作量搬到网络侧,计算完了再把结果返给你。
云计算的好处是极大地提高了终端获取计算结果的效率,但在特定情况下也增加了信息传递的时延。


现在,5G要求毫秒级的超低时延,为了满足这一指标,人们提出了移动边缘计算,利用无线接入网络就近提供服务和计算功能,创造出一个高性能、低延迟与高带宽的服务环境,加快网络中各项内容、服务及应用的快速下载,让消费者享有不间断的高质量网络体验。
举个例子,在一个家庭里,老婆管钱(5G核心网),老公(基站)每次花钱(发起计算)都要向老婆申请(将信息传递给核心网),假如老公有次结账急着付钱(要求低时延),但请示老婆同意一直没有答复(时延较大),那可能导致很差的体验;但如果老婆允许老公200元以下不用请示(授权一部分计算到边缘计算),那么家里花钱小事的执行效率就会显著提高(实现低时延)。

小结

5G技术博大精深,一篇短文远不足以说全、说透,只供大家参考。况且,5G技术只是一方面,我们还准备了5G频谱和5G应用的系列文章,欢迎大家继续点击观看。

国家无线电监测中心 王坦



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