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5G 比 4G 快,不只是因为......

上传时间:2019-11-06阅读次数:编辑:

CSDN编者按对于技术人来说,知其然,更要知其所以然。人们都知道,5G比4G快。那么到底快在哪里?因为什么这么快?我们请到了北邮通信博士崔原豪、知乎大V“甜草莓”来为大家剖析这个问题!

事实上不是“5G比4G要快”而是“为了比4G快,提出了5G”3G以后的每一代无线通信都是先提出目标,再考虑设计和技术选用。

所以我们可以看看4G与5G所提出关于“快”的定义分别是什么:

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大概可以理解为传输速率快,传输延迟低。

传输速率快

任何对通信数据传输速率的提升都绕不开香农信道容量公式:

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那就很容易理解咯,我们在5G也会采用同样的方式来提高数据传输速率: 提升频带宽度和提升信噪比。具体起来就是:

毫米波

更先进的波束赋形

超大规模天线,全双工无线

毫米波

1-4代无线通信中采用的300MHz-3GHz频谱有穿透性好,覆盖范围大等优点,但是有一个很重要的缺点:就是频带宽度太窄了!这个频段内的无线设备太多了!频谱已经快分完了。

频谱又不存在负的,所以为了大容量高速率数据传输,只有往3GHz以上寻找可用频谱。

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我们往上看看,那就是毫米波频段了毫米波频谱中存在两个特殊部分,氧气吸收频段和水蒸气吸收频段 这两种频段不能用来通信,所以毫米波频段共有252GHz频带宽度可供使用

当然实际上5G是用不了那么多频带的,在各国毫米波频谱划分里,分给5G的毫米波频段宽度大概有3-6GHz,这已经足够把数据传输速率提升10倍左右了。

不过需要强调的是,5G标准需要三种频段,毫米波频段主要负责高速数据传输,目前毫米波的标准还未确定。

虽然毫米波已经在雷达,航天和军用通信中都有使用,但是在民用通信中还有很多很多。这也是当前非常非常火热的无线通信研究方向,在这篇回答里就不深入介绍了。

更先进的波束赋形

4G中的基站天线是定向天线和全向天线混用,5G中由于毫米波覆盖范围窄,路径损耗大,复杂天气影响严重,所以需要通过波束设计完成发射能量聚焦,从而提升接受信号能量,提升信噪比和覆盖范围。

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波束赋形后的方向性波束可以帮助提升基站覆盖范围。而且,基站能量会更加有效。

实际上,由于5G中的波束赋形涉及Massive MIMO和毫米波的窄波束用户追踪、小区间波束切换调度和基站的LOS和NLOS问题,会更加困难一些,这同样这是一个很棒的无线通信研究方向。现在学术界很多人在考虑通过在基站覆盖范围内划分扇区,来帮助多天线波束切换。

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Sectorized Antenna

超大规模天线

无线通信中的多天线需要对每个天线赋予权重,才能提高空间分集/或复用增益。而现实情况下,这种算法是非线性的且计算复杂,天线越多越复杂。

但是令人惊奇的是,当天线数目非常非常多的时候,简单的线性预编码就可以很好的逼近最优结果。所以Massive MIMO自从提出就吸引了大量目光。

5G中Massive MIMO可能会有大量应用,不仅仅是大型宏基站,小型的毫米波发射器也有可能会装备Massive MIMO,因为毫米波天线波束窄,天线长度短,更适合Massive MIMO应用。

回到话题,Massive MIMO的好处是最大程度利用空域 资源,可以通过波束赋形同时多个波束服务小区用户,并可以同时提高用户的信噪比,提升数据传输速率。但是Massive MIMO中预编码,信道估计一直是个难题。

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全双工无线电

现存所有无线发射装置都是半双工的,半双工的意思是发送信号的同时不能接受信号否则会干扰自己

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全双工无线电就是同时收发信号,这样可以把数据传输速率X2,当然代价是图中的自干扰问题,甚至当用户过多时,用户之间的干扰也会X2。5G里的核心网设计是以C-RAN为主,这意味着可以通过中心化调度减轻自干扰,同时可以利用方向性天线,波束赋形,吸收屏蔽和交叉极化完成收发机之间的孤立。

这样全双工无线电是可以应用在5G中的。

上述就是5G中的物理层技术进展,联合起来使用,也就是怎么做到“传输速度快”的。

传输延迟低

我们这里说的延迟是round-trip latency,大概可以理解为数据在接入网和核心网中往返所需的总时间。因为无线电的传播速度是相对固定的,无法压缩,所以有两种方法降低:降低信令损耗和压缩网络处理过程。

降低信令损耗的方式就是尽量减少不必要的信令,比如

通过全双工技术减少信道估计时间。

因为毫米波的多普勒扩展很少,所以可以缩减OFDM信号的CP前缀,压缩OFDM帧长度。

通过网格化设计毫米波基站,降低干扰和时延

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压缩网络处理,形象理解就是扁平化公司等级,把决策权力下放。这样“向上汇报”次数少了,就会显著降低网络中不必要的开销。这其它答主也有提到。

标准的压缩核心网方式,就是“不经过不必要的处理单元”换句话是控制结构和数据传输结构分离。当然现在还有很多其他的解决方案。一种比较好的压缩网络结构思路是现在学术界很火热的“fog computing”雾计算,就是把一些重复性计算工作下放,用无线接入端做计算处理单元。

这样就可以当做一种另类的“计算缓存”大大降低网络延迟。另外一种是非常正统的,当然也是非常热的研究方向“wireless caching”无线缓存,这种思路是缓存内容,以降低传输延迟。

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fog computing

这些就是5G中的延迟部分进展,主要是MAC层技术,大概在讲怎么有效调度资源,怎么降低时延。

5G中还有其他很多不同的指标,比如“降低能量损耗”“提高用户服务质量”“提高小区容量”这是每一句话都是一个非常大的话题,背后有很多研究所,很多大学都做出了非常棒的工作,其中的每个小领域都有很多人在研究,但是因为跟问题无关我就不仔细介绍了。

所以,您也可以看到,5G是通信产业界和学术界联合运作的结果,标准组织提指标,选择合适技术和指导技术方向,研究机构和大学提出解决方案,完善技术路线如果解决方案中有瑕疵,那么学术界继续完善,最终达到性能指标。

产业和学术一起合力,最后才是完整的5G。

简介:崔原豪,北京邮电大学通信博士,芬兰阿尔托大合培养博士,知乎通信领域优秀回答者知乎昵称“甜草莓”,知乎2018年度荣誉知友。通信很大,想和大家一起去看看。

本文相关词条概念解析:

频段

频段,是一个有关通讯和声音理学方面的词语。在声乐领域中,频段是指声音频率而言,人耳对声音频率的感觉是从最低的20Hz到最高的20KHz,而人的语音频率范围则集中在80Hz~12kHz之间,不同频段的声音对人的感受是不同的。在通讯领域中,频段指的是电磁波的频率范围,单位为Hz。

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