5G比4G到底有(yǒu)啥好？看完就彻底明白了

发布时间2024-04-09 18:27

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作者： 程弢

来源： 雷锋网

在2015年的MWC上國(guó)内外厂商(shāng)纷纷展示各自在5G上的进展之后，5G就瞬间成為(wèi)了业界的讨论的焦点，在媒體(tǐ)竭尽溢美之词的同时，芯片商(shāng)、通信设备商(shāng)以及電(diàn)信运营商(shāng)无一例外开始倾其所有(yǒu)布局下一代通信技术，目的就是抢占话语权。

对于数消费者而言，5G的价值在于它拥有(yǒu)比4g LTE更快的速度（峰值速率可(kě)达几十Gbps），例如你可(kě)以在一秒(miǎo)钟内下载一部高清電(diàn)影，而4G LTE可(kě)能(néng)要10分(fēn)钟。也正是因為(wèi)这一得天独厚的优势，业界普遍认為(wèi)5G将在无人驾驶汽車(chē)、VR以及物(wù)联网等领域发挥重要作用(yòng)。

和4G相比，5G的提升是全方位的，按照3GPP的定义，5G具备高性能(néng)、低延迟与高容量特性，而这些优点主要體(tǐ)现在毫米波、小(xiǎo)基站、Massive MIMO、全双工以及波束成形这五大技术上。

毫米波

众所周知，随着连接到无線(xiàn)网络设备的数量的增加，频谱资源稀缺的问题日渐突出。至少就现在而言，我们还只能(néng)在极其狭窄的频谱上共享有(yǒu)限的带宽，这极大的影响了用(yòng)户的體(tǐ)验。

那么5G提供的几十个Gbps峰值速度如何实现呢(ne)？

众所周知，无線(xiàn)传输增加传输速率一般有(yǒu)两种方法，一是增加频谱利用(yòng)率，二是增加频谱带宽。5G使用(yòng)毫米波（26.5～300GHz）就是通过第二种方法来提升速率，以28GHz频段為(wèi)例，其可(kě)用(yòng)频谱带宽达到了1GHz，而60GHz频段每个信道的可(kě)用(yòng)信号带宽则為(wèi)2GHz。

在移动通信的历史上，这是首次开启新(xīn)的频带资源。在此之前，毫米波只在卫星和雷达系统上被应用(yòng)，但现在已经有(yǒu)运营商(shāng)开始使用(yòng)毫米波在基站之间做测试。

当然，毫米波最大的缺点就是穿透力差、衰减大，因此要让毫米波频段下的5G通信在高楼林立的环境下传输并不容易，而小(xiǎo)基站将解决这一问题。

小(xiǎo)基站

上文(wén)提到毫米波的穿透力差并且在空气中的衰减很(hěn)大，但因為(wèi)毫米波的频率很(hěn)高，波長(cháng)很(hěn)短，这就意味着其天線(xiàn)尺寸可(kě)以做得很(hěn)小(xiǎo)，这是部署小(xiǎo)基站的基础。

可(kě)以预见的是，未来5G移动通信将不再依赖大型基站的布建架构，大量的小(xiǎo)型基站将成為(wèi)新(xīn)的趋势，它可(kě)以覆盖大基站无法触及的末梢通信。

因為(wèi)體(tǐ)积的大幅缩小(xiǎo)，我们设置可(kě)以在250米左右部署一个小(xiǎo)基站，这样排列下来，运营商(shāng)可(kě)以在每个城市中部署数千个小(xiǎo)基站以形成密集网络，每个基站可(kě)以从其它基站接收信号并向任何位置的用(yòng)户发送数据。当然，你大可(kě)不必担心功耗问题，雷锋网之前曾报道过：小(xiǎo)基站不仅在规模上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小(xiǎo)于大基站，功耗上也大大缩小(xiǎo)了。

除了通过毫米波广播之外，5G基站还将拥有(yǒu)比现在蜂窝网络基站多(duō)得多(duō)的天線(xiàn)，也就是Massive MIMO技术。

Massive MIMO

现有(yǒu)的4G基站只有(yǒu)十几根天線(xiàn)，但5G基站可(kě)以支持上百根天線(xiàn)，这些天線(xiàn)可(kě)以通过Massive MIMO技术形成大规模天線(xiàn)阵列，这就意味着基站可(kě)以同时从更多(duō)用(yòng)户发送和接收信号，从而将移动网络的容量提升数十倍倍或更大。

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）的意思是多(duō)输入多(duō)输出，实际上这种技术已经在一些4G基站上得到了应用(yòng)。 但到目前為(wèi)止，Massive MIMO仅在实验室和几个现场试验中进行了测试。

隆德大學(xué)教授Ove Edfors曾指出，“Massive MIMO开启了无線(xiàn)通讯的新(xīn)方向——当传统系统使用(yòng)时域或频域為(wèi)不同用(yòng)户之间实现资源共享时，Massive MIMO则导入了空间域(spatial domain)的途径，其方式是在基地台采用(yòng)大量的天線(xiàn)以及為(wèi)其进行同步处理(lǐ)，如此则可(kě)同时在频谱效益与能(néng)源效率方面取得几十倍的增益。”

毋庸置疑，Massive MIMO是5G能(néng)否实现商(shāng)用(yòng)的关键技术，但是多(duō)天線(xiàn)也势必会带来更多(duō)的干扰，而波束成形就是解决这一问题的关键。

波束成形

Massive MIMO的主要挑战是减少干扰，但正是因為(wèi)Massive MIMO技术每个天線(xiàn)阵列集成了更多(duō)的天線(xiàn)，如果能(néng)有(yǒu)效地控制这些天線(xiàn)，让它发出的每个電(diàn)磁波的空间互相抵消或者增强，就可(kě)以形成一个很(hěn)窄的波束，而不是全向发射，有(yǒu)限的能(néng)量都集中在特定方向上进行传输，不仅传输距离更遠(yuǎn)了，而且还避免了信号的干扰，这种将无線(xiàn)信号（電(diàn)磁波）按特定方向传播的技术叫做波束成形(beamforming)。

这一技术的优势不仅如此，它可(kě)以提升频谱利用(yòng)率，通过这一技术我们可(kě)以同时从多(duō)个天線(xiàn)发送更多(duō)信息；在大规模天線(xiàn)基站，我们甚至可(kě)以通过信号处理(lǐ)算法来计算出信号的传输的最佳路径，并且最终移动终端的位置。因此，波束成形可(kě)以解决毫米波信号被障碍物(wù)阻挡以及遠(yuǎn)距离衰减的问题。

除此之外，雷锋网(公众号：雷锋网)最后要提到5G的另一大特色——全双工技术。

全双工

全双工技术是指设备的发射机和接收机占用(yòng)相同的频率资源同时进行工作，使得通信两端在上、下行可(kě)以在相同时间使用(yòng)相同的频率，突破了现有(yǒu)的频分(fēn)双工（FDD）和时分(fēn)双工（TDD）模式，这是通信节点实现双向通信的关键之一，也是5G所需的高吞吐量和低延迟的关键技术。

在同一信道上同时接收和发送，这无疑大大提升了频谱效率。但是5G要使用(yòng)这一颠覆性技术也面临着不小(xiǎo)的挑战，根据《移动通信》之前发布的资料显示，主要有(yǒu)一下三大挑战：

1.電(diàn)路板件设计，自干扰消除電(diàn)路需满足宽频（大于100MHZ）和多(duō)MIMO（多(duō)于32天線(xiàn)）的条件，且要求尺寸小(xiǎo)、功耗低以及成本不能(néng)太高。

2.物(wù)理(lǐ)层、MAC层的优化设计问题，比如编码、调制、同步、检测、侦听、冲突避免、ACK等，尤其是针对MIMO的物(wù)理(lǐ)层优化。

3.对全双工和半双工之间动态切换的控制面优化，以及对现有(yǒu)帧结构和控制信令的优化问题。

因此，雷锋网想说的是，尽管5G的势头遠(yuǎn)遠(yuǎn)超过了之前的4G，但5G的未来仍充满了不确定性，现在我们需要等待的是这些技术从实验阶段走向实用(yòng)。

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2023/08/25

责任矿产管理(lǐ) Responsible mineral management

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2024/01/17

广东设立目标：2025年智能(néng)算力规模实现全國(guó)第一、全球领先

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2023/11/13