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发表于 2018-2-1 14:42:25 |只看该作者 |倒序浏览
【摘要】根据国际电信联盟专家的预测,描述了5G时代移动互联网的新形态,从信息论基本原理得出了更大带宽是5G提速的核心手段的结论,以此为起点推演出5G时代将采用的毫米波、微基站、大规模MIMO、波束赋形等技术,并对中国引领全球5G市场的前景进行了分析。

【关键词】5G    毫米波    微基站    大规模MIMO    波束赋形

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2015.09.000      中图分类号:TN92      文献标识码:A      文章编号:1006-1010(2015)09-0000-00

引用格式:张弛. 5G技术发展脉络分析[J]. 移动通信, 2015,39(9): 00-00.

互联网改变了世界,移动互联网重新塑造了生活,“在家不能没有网络,出门不能忘带手机”已成为很多人的共同感受。人们对移动互联网的要求是更高速、更便捷、更强大、更便宜,这种没有止境的需求促使着移动互联网技术突飞猛进,技术体制的更新换代也随之越来越快。很多用户刚刚踏入4G的门槛,按照国际电信联盟关于2020年的规划,5G时代很快就要来到了[1]。

1   5G时代的展望

4G虽然比3G更快,但现阶段的速率提升不过10倍左右,应用模式也没有根本性的变化,其实并没有给用户带来太深刻的感受。但是,5G的综合性能将会比4G提升千倍[2],在这种超高速移动网络的支撑下,将会诞生出许多全新的应用,会彻底改变移动互联网的生态,那将是移动通信的一场革命。

5G速率将高达10Gbps,由于速率极快,高清视频即点即播,“缓冲等待”将成为历史。远程互动的3D虚拟现实游戏将兴起,画质精美操控顺畅,会带给用户身临其境的全新感受。人均月流量大约有36TB,用户不必担心资费问题,虽然流量增加了上千倍,但总体资费并不会提高[3]。

5G的入网设备将会大幅度增加,“万物互联”会成为5G的时代特征,镜框、花盆、腰带、冰箱、鱼缸、饭碗、茶杯、沙发……所有能提供服务的设备都会入网,并可按需求进行智能控制[4]。智能楼宇、智能家居、智能汽车、智能交通……智能移动互联网将彻底改变你的生活方式。

健康领域也会发生革命性变化,手环将不再只是测心律血压和跑步计数,而会成为身体健康指标的全面监控仪,实时动态的监测数据将会自动上传汇集,不仅可用于病情诊断,还可以利用大数据技术对身体状态进行分析和预测,提供精准的医学建议。除了能进行信息采集和处理外,手环还可以进行介入式治疗,甚至包括治疗癌症。

5G的最大特点并不是网速的进步,而是移动互联网、智能传感器、大数据技术三者结合产生的爆炸效应,这将是对传统工业和互联网业的一次颠覆性革命。

2   5G的技术路线

5G的核心技术并没有被国际电信机构所确定,尚处在研究和探索阶段,但移动通信的发展有着内在的规律性,其核心是以信息论为基础的无线通信理论,从理论出发并结合需求进行分析,并不难探寻出5G技术的发展方向。

高速是5G的首要特征,根据香农的信道理论,提速最根本的方法就是增加带宽,特别是成百上千倍的提速必须依赖更大的带宽。提高频率利用率虽然也是个办法,但其潜力是很有限的,而伴随着带宽提高而带来的等比例提速则是立竿见影的,大幅度增加带宽才是提速的王道。

要大幅度增加带宽则必须使用更高的频段,4G的频率在2GHz左右,5G频率会更高。例如韩国积极推动6GHz以上频段为未来IMT频段,开发高频段系统[5],俄罗斯专家甚至提出了80GHz频段的设想[6]。

5G的频谱范围正处于讨论之中,这是世界无电线大会(WRC)的议题,虽然具体的数据还没有确定下来,但频谱更高带宽更大的趋势是明确的。频率高了则波长变短,这就带来了毫米波技术。

2.1  毫米波技术

毫米波常用在雷达和卫星领域,一般不用于移动通信领域,主要原因是随着波长变短,无线电波传播的直线性会增强。例如军队使用的无线电接力通信就是毫米波,它并不支持“动中通”,只能驻车后工作,而且必须精细调整天线的角度,使其电波的辐射方向正对着对方,否则就无法通信,直线传播是毫米波通信必须解决的问题。

手机是移动使用的,不能打电话时还举着手机对准基站的方向,虽然非正对方向也有信号,但强度会明显衰弱,如果不做处理的话,使用体验就会下降。

毫米波的绕射和穿透也是问题,在基站信号不能直达的楼房阴影处和大楼内部,信号就会非常微弱,这些问题都必须解决。

2.2  微基站技术

5G时代的入网设备数量会呈爆炸性的增长,单位面积内的入网设备可能会增至千倍,若延续以往的宏基站覆盖模式,即使基站的带宽再大也无力支撑,再加上前述的穿透和绕射能力下降的原因,导致基站微型化的趋势成为了必然。

基站微型化则设置密度加大,为避免基站之间的频谱互扰,基站的辐射功率谱就会降低,这使得手机的远近效应不再明显,手机开机时的功率控制步骤会简化,而且手机的辐射功率也会降低,在相同能量的情况下待机时间会增加。

微基站数量大幅度增加后,传统的铁塔和楼顶架设方式将会扩展,路灯杆、广告灯箱、楼宇内部的天花板,都将是微基站架设的理想地点[7]。

2.3  大规模MIMO

根据天线理论,天线长度应与波长成正比,大约在1/10~1/4之间,当前手机的天线长线大约在几厘米左右。而5G频率在提升几十倍后,相应的手机天线长度也会降低到以前的几十分之一,会变成毫米级的微型天线。

多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上,手机的面积很小,如果是传统的几厘米长的天线,那多天线阵列是难以设置的。而随着天线长度的降低,特别是5G时代的毫米尺寸天线,给大规模MIMO技术的实现带来了可能。

以往的多天线技术更多地应用在抗干扰通信方面,使用多部天线接收同一信号,利用不同路径干扰的非相关性,在接收端进行合并处理,通过提高信噪比的方法来实现抗干扰通信。而手机多天线所接收信号的路径差异性不大,干扰的非相关性也不强,因此不太会用于抗干扰方面,而是会用在提高传输速率方面。

大规模MIMO其实就是基站与手机之间有很多对的信道并行通信,每一对天线都独立传送一路信息,经汇集后可成倍提高速率。5G更高频率带来天线尺寸缩短和更大带宽带来频率复用,这两点的变化为大规模MIMO的实现提供了技术实现的前提[8]。

2.4  波束赋形技术

中国主导的3G国际标准TD-SCDMA有六大技术特点,其中有一项就是智能天线,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,而且能根据手机的移动而转变方向。

由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务,这种新形式的无线电波束不会干扰到其它方向的波束,从而可以在相同的空间中提供更多的通信链路,这种充分利用空间的无线电波束技术是一种空间复用技术,这种技术可以极大地提高基站的服务容量[9]。

遗憾的是这项技术并没在3G时代得到应用,但在5G入网设备数量成百上千倍增加的情况下,这种波束赋形技术所能带来的容量增加就显得非常有价值,波束赋形技术很可能成为5G的关键性技术之一[10]。

因为新增了移动用户位置的方向角参数,波束赋形技术不仅能大幅度增加容量,还可大幅度提高基站定位精度,并因此而扩展出非常多的定位增值服务。

2.5  同时同频全双工

手机是典型的双工通信设备,常用的有频分、时分和码分等信道复用方式,而同时同频全双工技术与这些传统的方式都不同,它是通过对信号收发信号的处理,使得双工通信建立在同时同频的基础上,理论上可以提高一倍的信道容量[11]。

前面已经分析过,通过提高带宽的方式可等比例地提高信道容量,是最直接最有效的提速方式,但这是用大量的带宽资源换来的,在技术上并没有创新。而通过对发射信号的抵消处理,可在相同频率同时接收更加微弱的信号,虽然这种方式只能提速一倍,但却是意义重大的原始创新。

同时同频全双工技术若要实用化,对发射信号的衰减要达到120dB,而现在实验室的记录是90dB,这30dB的差距就是1 000倍的衰减量,而且越往后做难度就越大。这项技术虽然理论成立,但距离实用化还尚有距离,估计在5G时代前期应用不上。但不可否认的是,这是一项具有突破性的很有潜力的技术,非常值得研究和期待。

2.6  综合分析

任何更新换代的关键性技术,都必须经历过多年的研究,按规划还有5年就要进入5G时代了,不太可能突然出现一个全新的技术并被吸纳在5G的国际标准中,考察5G的技术发展脉络还得从成熟技术中寻找答案。

在传统的宏基站大覆盖的情况下提速是非常困难的,20%的频谱利用率的提升都是了不起的成就,而在5G时代的千倍提速要求面前,这种内部挖潜的方法是行不通的,只有通过大幅度的加大带宽才有可能。

加大带宽是起点,由此而产生的毫米波、微基站、大规模MIMO等都是顺理成章的技术趋势,只要把基站做得足够小,其服务范围变窄了,单个用户获得的资源就能足够大,速度就可以提高到足够快。

所以5G的任何一项关键技术都不会有革命性的突破,其上千倍综合能力的提升,更多地是来自移动网络的重新布局

3   中国试图引领世界

1997年4月,国际电信联盟向世界各国发出征集函,征集第三代移动通信技术标准。中国为了打破在国际电信标准上没有话语权,只能做世界工厂的困局,递交了TD-SCDMA标准,经过举国的努力,最终被国际电信联盟吸纳为3G技术标准之一,实现了历史性突破,从此走上了力争主导国际标准的道路。

进入4G时代后,分别有LTE FDD和TD-LTE两个国际技术标准,中国政府选定了TD-LTE,并早于LTE FDD一年发放了牌照,目的就是为了发挥相对优势,在引领国际电信业方面占据更大的主动。如果不采取这种策略,而是在欧洲相对更有优势的LTE FDD标准后面跟跑,就会越追越追不上。

中国的电信业实力很强大,在全球四大电信设备商中中国企业就占了2家,华为第一中兴第四,互联网商也在飞速进步,联想、小米等实力不容小觑,同时中国还是全球第一大消费市场。

掌控着全球最庞大的企业集团和最巨大的消费市场,这是中国政府具备的引领世界的硬实力,原来的TDD和FDD的份额之比是8:2,自从中国政府布局支持TD-LTE后,两者的份额差距快速缩小。

2013年初,在政府部门的大力支持下,成立了面向5G移动通信研究与发展的IMT-2020推进组,明确了5G发展远景、业务、频谱与技术需求,研究5G主要技术发展方向及使能技术,形成5G移动通信技术框架,协同产学研用各方力量,积极融入国际5G发展进程,为2015年后全面参与5G移动通信技术标准制定打下坚实的技术基础[8],中国是全球公认的推进5G最积极的国家之一。

中国在5G事业的提前布局,使之有望在未来的信息社会中更加深入地引领世界,而引领者会得到更多的市场回报,从而惠及到所有的本国公民,这个前景非常值得我们期待。

参考文献:

[1] Sudhir Dixit. Future of IMT Systems: Wireless World Vision 2020[EB/OL]. [2018-02-20]. http://www.itu.int.tianmuyb.com/en/ITU-D/Tech ... f5d3fd14d775bfee85.

[2] Yongwan Park. 5G Vision and Requirements Of 5G Forum[EB/OL]. [2018-02-20]. http://www.itu.int.tianmuyb.com/dms_pub/itu-r ... f5d3fd14d775bfee85.

[3] Afif Osseiran. Mobile and Wireless Communications system for 2020 and beyond (5G)[Z]. 2014.

[4] IMT-2020(5G) Promotion Group. IMT Vision towards 2020 and Beyond[EB/OL]. [2018-02-20]. http://www.itu.int.tianmuyb.com/dms_pub/itu-r ... f5d3fd14d775bfee85.

[5] 李路鹏. 5G技术展望[C]. 2013全国无线及移动通信学术大会论文集(上), 2013.

[6] G Bochechka, Valery Tikhvinskiy. Spectrum occupation and perspectives millimeter band utilization for 5G networds[EB/OL]. [2018-02-20]. http://ieeexplore.ieee.org.tianmuyb.com/xpls/abs_all.jsp?arnumber=6858482.

[7] Panagiotis Demestichas. Next Generation Communication Architectures and Technologies[Z]. 2013.

[8] 尤肖虎,潘志文,高西奇,等. 5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 中国科学:信息科学, 2014,44(5): 551-563.

[9] 月球,王晓周,杨小乐. 5G网络新技术及核心网架构探讨[J]. 现代电信科技, 2014(12): 27-31.

[10]王景尧,白岩,孟祥娇,等. 5G无线通信技术发展跟踪与分析[J]. 现代电信科技, 2014(12): 1-4.

[11] 肖亚楠,滕颖蕾,宋梅. 从4G通信技术发展看5G[J]. 互联网天地, 2014(10): 66-69. ★





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发表于 2018-2-1 15:42:13 |只看该作者
讲的不错

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很不错的文章,学习了,谢谢分享!

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发表于 2018-2-3 16:17:39 |只看该作者
感谢分享, 现在5G技术已经开始普及
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又要换手机了

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感谢,学习了!!!

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学习了
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