5G的基本特点与关键技术.docx

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5G的基本特点与关键技术

5G的基本特点与关键技术

[导读]从1G到4G，移动通信的核心是人与人之间的通信，个人的通信是移动通信的核心业务。

　　从1G到4G，移动通信的核心是人与人之间的通信，个人的通信是移动通信的核心业务。

但是5G的通信不仅仅是人的通信，而是物联网、工业自动化、无人驾驶被引入，通信从人与人之间通信开始转向人与物的通信，直至机器与机器的通信。

　　第五代移动通信技术（5G）是目前移动通信技术发展的最高峰，也是人类希望不仅改变生活，更要改变社会的重要力量。

　　5G是在4G基础上，对于移动通信提出更高的要求，它不仅在速度而且还在功耗、时延等多个方面有了全新的提升。

由此业务也会有巨大提升，互联网的发展也将从移动互联网进入智能互联网时代。

　　5G的三大场景

　　国际标准化组织3GPP定义了5G的三大场景。

其中，eMBB指3D/超高清视频等大流量移动宽带业务，mMTC指大规模物联网业务，URLLC指如无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。

　　通过3GPP的三大场景定义我们可以看出，对于5G，世界通信业的普遍看法是它不仅应具备高速度，还应满足低时延这样更高的要求，尽管高速度依然是它的一个组成部分。

从1G到4G，移动通信的核心是人与人之间的通信，个人的通信是移动通信的核心业务。

但是5G的通信不仅仅是人的通信，而且是物联网、工业自动化、无人驾驶等业务被引入，通信从人与人之间通信，开始转向人与物的通信，直至机器与机器之间的通信。

　　5G的三大场景显然对通信提出了更高的要求，不仅要解决一直需要解决的速度问题，把更高的速率提供给用户；而且对功耗、时延等提出了更高的要求，一些方面已经完全超出了我们对传统通信的理解，把更多的应用能力整合到5G中。

这就对通信技术提出了更高要求。

在这三大场景下，5G具有6大基本特点。

　　5G的六大基本特点

　　高速度

　　相对于4G，5G要解决的第一个问题就是高速度。

网络速度提升，用户体验与感受才会有较大提高，网络才能面对VR/超高清业务时不受限制，对网络速度要求很高的业务才能被广泛推广和使用。

因此，5G第一个特点就定义了速度的提升。

　　其实和每一代通信技术一样，确切说5G的速度到底是多少是很难的，一方面峰值速度和用户的实际体验速度不一样，不同的技术不同的时期速率也会不同。

对于5G的基站峰值要求不低于20Gb/s，当然这个速度是峰值速度，不是每一个用户的体验。

随着新技术使用，这个速度还有提升的空间。

　　这样一个速度，意味着用户可以每秒钟下载一部高清电影，也可能支持VR视频。

这样的高速度给未来对速度有很高要求的业务提供了机会和可能。

　　泛在网

　　随着业务的发展，网络业务需要无所不包，广泛存在。

只有这样才能支持更加丰富的业务，才能在复杂的场景上使用。

泛在网有两个层面的含义。

一是广泛覆盖，一是纵深覆盖。

　　广泛是指我们社会生活的各个地方，需要广覆盖，以前高山峡谷就不一定需要网络覆盖，因为生活的人很少，但是如果能覆盖5G，可以大量部署传感器，进行环境、空气质量甚至地貌变化、地震的监测，这就非常有价值。

5G可以为更多这类应用提供网络。

　　纵深是指我们生活中，虽然已经有网络部署，但是需要进入更高品质的深度覆盖。

我们今天家中已经有了4G网络，但是家中的卫生间可能网络质量不是太好，地下停车库基本没信号，现在是可以接受的状态。

5G的到来，可把以前网络品质不好的卫生间、地下停车库等都用很好的5G网络广泛覆盖。

　　一定程度上，泛在网比高速度还重要，只是建一个少数地方覆盖、速度很高的网络，并不能保证5G的服务与体验，而泛在网才是5G体验的一个根本保证。

在3GPP的三大场景没有讲泛在网，但是泛在的要求是隐含在所有场景中的。

　　低功耗

　　5G要支持大规模物联网应用，就必须要有功耗的要求。

这些年，可穿戴产品有一定发展，但是遇到很多瓶颈，最大的瓶颈是体验较差。

以智能手表为例，每天充电，甚至不到一天就需要充电。

所有物联网产品都需要通信与能源，虽然今天通信可以通过多种手段实现，但是能源的供应只能靠电池。

通信过程若消耗大量的能量，就很难让物联网产品被用户广泛接受。

　　如果能把功耗降下来，让大部分物联网产品一周充一次电，甚或一个月充一次电，就能大大改善用户体验，促进物联网产品的快速普及。

eMTC基于LTE协议演进而来，为了更加适合物与物之间的通信，也为了更低的成本，对LTE协议进行了裁剪和优化。

eMTC基于蜂窝网络进行部署，其用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽，可以直接接入现有的LTE网络。

eMTC支持上下行最大1Mbps的峰值速率。

而NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

　　NB-IoT其实基于GSM网络和UMTS网络就可以进行部署，它不需要和5G的核心技术那样需重新建设网络，但是，虽然它部署在GSM和UMTS的网络上，还是一个重新建设的网络，而它的能力是大大降低功耗，也是为了满足5G对于低功耗物联网应用场景的需要，和eMTC一样，是5G网络体系的一个组成部分。

　　低时延

　　5G的一个新场景是无人驾驶、工业自动化的高可靠连接。

人与人之间进行信息交流，140毫秒的时延是可以接受的，但是如果这个时延用于无人驾驶、工业自动化就无法接受。

5G对于时延的最低要求是1毫秒，甚至更低。

这就对网络提出严酷的要求。

而5G是这些新领域应用的必然要求。

　　无人驾驶汽车，需要中央控制中心和汽车进行互联，车与车之间也应进行互联，在高速度行动中，一个制动，需要瞬间把信息送到车上做出反应，100毫秒左右的时间，车就会冲出几十米，这就需要在最短的时延中，把信息送到车上，进行制动与车控反应。

　　无人驾驶飞机更是如此。

如数百架无人驾驶编队飞行，极小的偏差就会导致碰撞和事故，这就需要在极小的时延中，把信息传递给飞行中的无人驾驶飞机。

工业自动化过程中，一个机械臂的操作，如果要做到极精细化，保证工作的高品质与精准性，也是需要极小的时延，最及时地做出反应。

这些特征，在传统的人与人通信，甚至人与机器通信时，要求都不那么高，因为人的反应是较慢的，也不需要机器那么高的效率与精细化。

而无论是无人驾驶飞机、无人驾驶汽车还是工业自动化，都是高速度运行，还需要在高速中保证及时信息传递和及时反应，这就对时延提出了极高要求。

　　要满足低时延的要求，需要在5G网络建构中找到各种办法，减少时延。

边缘计算这样的技术也会被采用到5G的网络架构中。

　　万物互联

　　传统通信中，终端是非常有限的，固定电话时代，电话是以人群为定义的。

而手机时代，终端数量有了巨大爆发，手机是按个人应用来定义的。

到了5G时代，终端不是按人来定义，因为每人可能拥有数个，每个家庭可能拥有数个终端。

　　2018年，中国移动终端用户已经达到14亿，这其中以手机为主。

而通信业对5G的愿景是每一平方公里，可以支撑100万个移动终端。

未来接入到网络中的终端，不仅是我们今天的手机，还会有更多千奇百怪的产品。

可以说，我们生活中每一个产品都有可能通过5G接入网络。

我们的眼镜、手机、衣服、腰带、鞋子都有可能接入网络，成为智能产品。

家中的门窗、门锁、空气净化器、新风机、加湿器、空调、冰箱、洗衣机都可能进入智能时代，也通过5G接入网络，我们的家庭成为智慧家庭。

　　而社会生活中大量以前不可能联网的设备也会进行联网工作，更加智能。

汽车、井盖、电线杆、垃圾桶这些公共设施，以前管理起来非常难，也很难做到智能化。

而5G可以让这些设备都成为智能设备。

　　重构安全

　　安全问题似乎并不是3GPP讨论的基本问题，但是它也应该成为5G的一个基本特点。

　　传统的互联网要解决的是信息速度、无障碍的传输，自由、开放、共享是互联网的基本精神，但是在5G基础上建立的是智能互联网。

智能互联网不仅是要实现信息传输，还要建立起一个社会和生活的新机制与新体系。

智能互联网的基本精神是安全、管理、高效、方便。

安全是5G之后的智能互联网第一位的要求。

假设5G建设起来却无法重新构建安全体系，那么会产生巨大的破坏力。

　　如果我们的无人驾驶系统很容易攻破，就会像电影上展现的那样，道路上汽车被黑客控制，智能健康系统被攻破，大量用户的健康信息被泄露，智慧家庭被攻破，家中安全根本无保障。

这种情况不应该出现，出了问题也不是修修补补可以解决的。

　　在5G的网络构建中，在底层就应该解决安全问题，从网络建设之初，就应该加入安全机制，信息应该加密，网络并不应该是开放的，对于特殊的服务需要建立起专门的安全机制。

网络不是完全中立、公平的。

举一个简单的例子：

网络保证上，普通用户上网，可能只有一套系统保证其网络畅通，用户可能会面临拥堵。

但是智能交通体系，需要多套系统保证其安全运行，保证其网络品质，在网络出现拥堵时，必须保证智能交通体系的网络畅通。

而这个体系也不是一般终端可以接入实现管理与控制的。

　　5G的关键技术

　　5G作为新一代的移动通信技术，它的网络结构、网络能力和要求都与过去有很大不同，有大量技术被整合在其中。

其核心技术简述如下：

　　基于OFDM优化的波形和多址接入

　　5G采用基于OFDM化的波形和多址接入技术，因为OFDM技术被当今的4GLTE和Wi-Fi系统广泛采用，因其可扩展至大带宽应用，而具有高频谱效率和较低的数据复杂性，能够很好地满足5G要求。

OFDM技术家族可实现多种增强功能，例如通过加窗或滤波增强频率本地化、在不同用户与服务间提高多路传输效率，以及创建单载波OFDM波形，实现高能效上行链路传输。

　　实现可扩展的OFDM间隔参数配置

　　通过OFDM子载波之间的15kHz间隔（固定的OFDM参数配置），LTE最高可支持20MHz的载波带宽。

为了支持更丰富的频谱类型/带（为了连接尽可能丰富的设备，5G将利用所有能利用的频谱，如毫米微波、非授权频段）和部署方式。

5GNR将引入可扩展的OFDM间隔参数配置。

这一点至关重要，因为当FFT（FastFourierTransform，快速傅里叶变换）为更大带宽扩展尺寸时，必须保证不会增加处理的复杂性。

而为了支持多种部署模式的不同信道宽度，5GNR必须适应同一部署下不同的参数配置，在统一的框架下提高多路传输效率。

另外，5GNR也能跨参数实现载波聚合，比如聚合毫米波和6GHz以下频段的载波。

　　OFDM加窗提高多路传输效率

　　5G将被应用于大规模物联网，这意味着会有数十亿设备在相互连接，5G势必要提高多路传输的效率，以应对大规模物联网的挑战。

为了相邻频带不相互干扰，频带内和频带外信号辐射必须尽可能小。

OFDM能实现波形后处理（post-processing），如时域加窗或频域滤波，来提升频率局域化。

　　灵活的框架设计

　　设计5GNR的同时，采用灵活的5G网络架构，进一步提高5G服务多路传输的效率。

这种灵活性既体现在频域，更体现在时域上，5GNR的框架能充分满足5G的不同服务和应用场景。

这包括可扩展的时间间隔（STTI，ScalableTransmissionTimeInterval），自包含集成子帧（Self-containedintegratedsubframe）。

　　先进的新型无线技术

　　5G演进的同时，LTE本身也还在不断进化（比如最近实现的千兆级4G+），5G不可避免地要利用目前用在4GLTE上的先进技术，如载波聚合、MIMO、非共享频谱等。

这包括众多成熟的通信技术：

　　大规模MIMO：

从2×2提高到了目前4×4MIMO。

更多的天线也意味着占用更多的空间，要在空间有限的设备中容纳进更多天线显然不现实，只能在基站端叠加更多MIMO。

从目前的理论来看，5GNR可以在基站端使用最多256根天线，而通过天线的二维排布，可以实现3D波束成型，从而提高信道容量和覆盖。

　　毫米波：

全新5G技术正首次将频率大于