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5G即第五代移動通信標準。在移動通信領域,新的技術每十年就會出現一代,傳輸速 率也不斷提升。第一代是模擬技術。第二代實現了數字化語音通信,如GSM、CDMA。第 三代3G技術以多媒體通信為特征,標準有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等。第四代 4G技術,標志著無線寬帶時代的到來,其通信速率也得到了大大提升。5G是新一代信息通 信方向,5G實現了從移動互聯網向物聯網的拓展。由于5G的到來,未來增強現實、虛擬現 實、在線游戲和云桌面等設備上的傳輸速率將會得到極速提升。從性能角度來說,5G目標 是接近零時延、海量的設備連接,為用戶提供的體驗也將會更高。
5G網絡將開啟新的頻帶資源,使用毫米波(26. 5?300GHz)以提升速率。之前的毫米 波僅在衛星和雷達系統上應用;5G網絡基站是大量小型基站,功耗比現在大型基站低,從 布局上來看,基站的天線規模大增,形成陣列,從而提升了移動網絡容量,發送更多的信息; 5G采用網絡功能虛擬化(NFV)和軟件定義網絡(SDN),第一次真正將智慧云和云端處理 的有價值的信息傳輸到智能設備端。屆時,手機和計算機的應用水平將借力云端獲得更強 大的處理能力,而不再局限于設備本身的配置。2017年5月在杭州舉辦的國際移動通信標準組織3GPP專業會議上,3GPP正式確認 5G核心網采用中國移動牽頭并聯合26家公司提出的SBA架構(Service-based architecture,基于服務的網絡架構)作為統一的基礎架構。這意味著5G借力云端獲得了更 強大的處理能力,5G網絡真正走向了開放化、服務化、軟件化方向,將有利于實現5G與垂 直行業融合。基于服務的網絡架構借鑒IT領域的“微服務”設計理念,將網絡功能定義為 多個相對獨立可被靈活調用的服務模塊。以此為基礎,運營商可以按照業務需求進行靈活 定制組網。
頂層設計、無線網設計、核心網設計等是5G整體系統的設計,其中頂層設計和核心網 設計是系統架構的主要進行的標準項目,對5G系統架構、功能、接口關系、流程、漫游、與現 有網絡共存關系等進行標準化。
芯片商、通信設備商以及電信運營商為了搶占5G話語權,都開始布局5G技術。3GPP 對5G定位是高性能、低延遲與高容量,主要體現在毫米波、小基站、Massive MIM()、全雙工 和波束成形這五大技術上。
1.毫米波
頻譜資源隨著無線網絡設備的數量的增加,其稀缺的問題日漸突出,目前采用的措施是 在狹窄的頻譜上共享有限的帶寬,對用戶的體驗不佳。提高無線傳輸速率方法有增加頻譜 利用率和增加頻譜帶寬兩種方法。5G使用毫米波(26.5?300GHz)增加頻譜帶寬,提升了 速率,其中28GHz頻段其可用頻譜帶寬為1GHz,60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則 為2GHz。5G開啟了新的頻帶資源。之前,毫米波僅用在衛星和雷達系統上,毫米波最大 的缺點就是穿透力差,為了讓毫米波頻段下的5G通信在高樓林立的環境下傳輸采用小基 站解決這一問題。
2.小基站
毫米波具有穿透力差、在空氣中的衰減大、頻率高、波長短、繞射能力差等特點,由于波 長短,其天線尺寸小,這是部署小基站的基礎。未來5G移動通信將采用大量的小型基站來 覆蓋各個角落。小基站的體積小,功耗低,部署密度高。
3.MIMO技術
5G基站擁有大量采用Massive MIMO技術的天線。4G基站有十幾根天線,5G基站 可以支持上百根天線,這些天線通過Massive MIMO技術形成大規模天線陣列,基站可以 同時發送和接收更多用戶的信號,從而將移動網絡的容量提升數十倍。MIMO(Multiple- Input Multiple-Output)即多輸入多輸出,這種技術已經在一些4G基站上得到了應用。傳 統系統使用時域或頻域為不同用戶之間實現資源共享,Massive MIMO導入了空間域 (spatial domain)的途徑,開啟了無線通信的新方向,在基地臺采用大量的天線并進行同步 處理,同時在頻譜效益與能源效率方面取得幾十倍的增益。
4.波束成形
基于Massive MIMO的天線陣列集成了大量天線,通過給這些天線發送不同相位的信 號,這些天線發射的電磁波在空間互相干涉疊加,形成一個空間上較窄的波束,這樣有限的 能量都集中在特定方向上進行傳輸,不僅傳輸距離更遠,而且還避免信號的相互干擾,這種 將無線信號(電磁波)按特定方向傳播的技術叫作波束成形(beamforming)或波束賦形。波 束成形技術不僅可以提升頻譜利用率,而且通過多個天線可以發送更多的信息;還可以通 過信號處理算法來計算出信號的傳輸的最佳路徑,確定移動終端的位置。
5.全雙工技術