关于第五代移动通信的研究

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  5G,是英文fifth-generation的缩写,指移动电话系统第五代,也是4G的延伸。随着第四代移动通信技术的成熟化,第五代移动通信早就开始酝酿中。而在移动行业里面,已经基本确认5G网络将会在2020年正式商用,最早会在2018年的韩国冬季奥运会率先亮相。现在我们来看一个例子,2018年7月8日,莫斯科卢日尼基体育场,俄罗斯世界杯决赛。你没有在现场,你正在出差的列车上,拿着平板观看在线直播。不过,你看起来不像在看直播,倒有点像在玩PS实况足球游戏。你用手指在屏幕随意划动,直播画面也随着你的手指移动而变化。这叫个性化体验体育赛事直播,只要动动手指头,就可以享受从任意角度观看比赛。传统的直播画面取决于单一的转播镜头角度,屏幕这边的观众非常被动。如果你喜欢的球星在比赛中状态不好,你很少能看到他的身影。如果突然进球了,你只能看到进球功臣的狂欢,却无法看到守方球员沮丧的表情。
  有了这种个性化服务,要怎么观看比赛,完全由你自己掌握。这是因为赛场周围安装了大量高清摄像头,这些摄像头统统连接到5G网络,海量视频信号通过5G网络从遥远的莫斯科瞬间传送到你的平板上,完美体验绝对360度全方位无死角观看比赛。这绝不是个人不切实际的幻想,事实上,我相信5G一定会爆发于某次国际重大赛事,就像是一位年轻的新星,一战成名于世界杯而声名鹊起,这个爆发点可能是2020年东京奥运会,也可能会提前,比如2018年莫斯科世界杯......
  那么什么是5G?你或许有这样的疑问,不就是多安装几个摄像头连接到网络吗?4G难道就不能实现吗?为啥非要5G?要回答这个问题,我们首先应该把关注点放在5G所能带来哪些新的惊喜变化。
  5G相比较4G,三个最明显的提升特征分别是上下行速率提高、极低的延时和超大的网络容量。网速的提升是必然的,它会比4G要快上百倍、千倍以上,这对于应对未来庞大的数据吞吐量需求是很有必要的。举个列子,以往你下载1部2GB大小的电影,4G网络需要2分钟,而5G网络则是把时间缩短到1分钟以内。不过除了快,5G网络还应该拥有极低的延时,也就是响应速度,同时也需要更大的网络容量,能容纳未来庞大的物联网需求。
  在大多数人眼中,5G表面来看就是网速将会比4G更加快,因此才会有资费方面的担心,实际5G的变化远远不只在网速,它所能应用的场景和领域也是异常丰富。5G的变化在于:第一是增强型移动宽带,它可以用于支持VR/AR等应用体验;第二是海量物联网(Massive IoT),它扩展了物联网的大规模部署;第三是全新类型的关键任务型服务,让我们能通过可靠且可用的连接,在极低的时延下实现控制。这些功能都需要足够的带宽才能支撑他们流畅的工作,才能保证它们的基本体验。只有足够先进的无线连接,我们现在的VR/AR一体机才能改变他们的产品形态,令眼罩主机部分更加轻薄,同时去掉线材的束缚,把所有数据的处理都放在主机上。
  很多人会问,5G时代所采用的网络标准是什么?5G时代与4G时代不一样,5G NR将会成为一个全球标准,它同时也将支持美国沃达丰(Verizon)的5G固定宽带部署,以及Korea Telecom在2018年韩国冬奥会上的5G部署。5G初期,依旧需要与4G LTE配合使用,多模对于5G是很重要的。在一个终端上需要集成对5G、4G、3G和WiFi的支持,因为5G布局初期是运行在超高频率上,也就是我们常说的毫米波频段,所以其传输距离受限,广域全覆盖依旧需要4G和3G的支持。当然5G以后的发展趋势会往高/低频发展,5G基带需要具备支持高频段的毫米波,同时也要支持6GHz以下的低频段。
  5G需要在不同的频段部署,因为它需要针对不同的应用。在增强型的移动宽带,数据吞吐量的提升(网速的增强)、低时延方面,可以在高频段依靠毫米波获得。我们知道高频段毫米波是极度容易衰减的,为了解决这个问题,能让其把能量聚集一起实现连续并且具备移动性的传输,采用更多的天线MIMO和波束成形和波束追踪等技术。大规模MIMO通过利用基站中的大量天线来使用高频段,这样就可以集中能量传输给用户,以在这些更高频段上实现更好的覆盖。举例来说,这里的基站上有24个天线,而终端上则有4个天线。这样一来,每个用户都能获得大概4倍左右的性能提升,即使是处在基站边缘的用户也不例外。简单来说,通过这些技术能有效解决毫米波高频段的衰减问题,令其拥有更大的网络容量和传输速度。在低频段方面,需要依托现阶段LTE的技术,在6GHz以下的低频段运行,推动5G NR的标准化。
  那么,是什么推动了5G?智能手机推动了3G和4G网络高速发展,那么,谁将是5G背后的最大推手呢?如同当初谁也没有预料到智能手机如此之大的推动力一样,5G背后的最大推手也很难预测。不过,有一点可以肯定,5G网络将无限延伸智能手机(或平板)到更复杂更广阔的应用领域。比如,智能手机连接智慧家庭、无人机、机器人或无人驾驶等,而这些应用必将会在5年内实现。5G网络真正意义上实现了网络的可延展性、多功能性和高效性。尽管我们无法预测谁将是5G网络的最大推手,但我们可以想象5G将会推动什么?以时下热门的可穿戴设备为例,设备体积太小,限制了其计算处理能力。如果依托于高速、低时延的5G网络,可穿戴设备通过5G网络连接到云服务系统,计算处理功能在云端完成后,再回传到可穿戴设备上,这为终端产品提供了极大的产品设计空间和应用设计空间。也许,一块智能手表只需要一块显示屏就够了!随着信息技术进步,这样的想象空间还会进一步扩大。摩尔定律告诉我们,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。受益于摩尔定律,5G时代将实现通信与计算技术前所未有的高度融合。再举一个例子。无线通信理论上讲,天线越多,频谱效率和传输可靠性就越高。大规模MIMO技术(多天線技术)被公认为5G的关键技术之一。事实上,4G也采用多天线技术,不过,多天线技术受限于手机终端的大小和成本。但是,随着集成电路上可容纳的元器件越来越多,价格越来越便宜,实现起来也就越来越容易。看看下面这张图,16根天线已经可以集成在5毫米内了。
  5G标准尚未正式确立,但是5G NR已经基本可以看作是5G的标准化,而一些走在前面的运营商已经着手试验部署5G网络,而2018年的韩国冬季奥运会也会率先看到5G的应用,而2020年估计会是5G大规模商用的时间。5G在数据吞吐量、延时、网络容量方面比较4G都是有明显的优势,应用的场景和领域将会更多元化,科技在发展,与其还在惆怅着网费如何如何地贵,还不如兴奋期待着未来5G带给我们的美好变化。
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