5G牌照即将发放,关于5G你必须知道的事

时间:

2019-11-20

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工信部于6月3日发布消息称,近期将发放5G商用牌照,我国将正式进入5G商用元年。5G标准是全球产业共同参与制定的统一国际标准,我国声明的标准必要占比超过30%。在技术试验阶段,诺基亚、爱立信、高通、英特尔等多家国外企业已深度参与,在多方共同努力下,我国5G已经具备商用基础。


看到这条消息小迈还是很激动的,因为5G的商用不仅仅意味着消费互联网网速的提升,更意味着车联网、无人机、工业互联网这些低时延、高可靠通信以及智能井盖、智能路灯等海量物联网通信接入。30%的标准占比也彰显着我国在5G通信中的重要地位。


5G牌照即将发放,关于5G你必须知道的事


不过可能大家对于5G还是有些陌生,今天我们就来聊聊5G的技术特点、应用场景及其发展现状。


5G,就是5th Generation Mobile Networks(第五代移动通信网络),也可以称为5th Generation Wireless Systems(第五代无线通信系统)。


从名称可以看出,5G是4G的下一代演进。4G是目前我们正在使用的主流移动通信技术标准。


简单说,5G就是第五代通信技术,主要特点是波长为毫米级,超带宽,超高速度,超低延时,支持海量连接。


1G实现了模拟语音通信,大哥大没有屏幕只能打电话;2G实现了语音通信数字化,功能机有了小屏幕可以发短信了;3G实现了语音以外图片等的多媒体通信,屏幕变大可以看图片了;4G实现了局域高速上网,大屏智能机可以看视频了。


1G到4G都是着眼于人与人之间更方便快捷的通信,而5G将实现随时、随地、万物互联,让人类敢于期待与地球上的万物通过网络相互连接。


无论是1G、2G、3G,还是4G、5G,万变不离其宗,全部都是在一个简单的公式身上做文章,没有跳出它的“五指山”。


这个公式,就是它--


c=λv


解释一下,这是物理学的基本公式,光速=波长×频率。


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有线和无线 


通信技术归根到底,就分为两种——有线通信和无线通信。


以打电话为例,信息数据要么在空中传播(看不见、摸不着),要么在实物上传播(看得见、摸得着)。


如果是在实体物质上传播,就是有线通信,基本上就是用的铜线、光纤这些线缆,统称为有线介质。


在有线介质上传播数据,速率可以达到很高的数值。以光纤为例,在实验室中,单条光纤最大速度已达到了26Tbps。是传统网线的两万六千倍。


而空中传播这部分,才是移动通信的瓶颈所在。


目前主流的移动通信标准,是4G LTE,理论速率只有150Mbps(不包括载波聚合)。这个和有线是完全没办法相比的。


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所以,5G如果要实现端到端的高速率,重点是突破无线这部分的瓶颈。


好大一个波


无线通信就是利用电磁波进行通信。电波和光波,都属于电磁波。电磁波的功能特性,是由它的频率决定的。不同频率的电磁波,有不同的属性特点,从而有不同的用途。


例如,高频的γ射线,具有很大的杀伤力,可以用来治疗肿瘤。


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我们目前主要使用电波进行通信。当然,光波通信也在崛起,例如LiFi(Light Fidelity,可见光通信)。


电波属于电磁波的一种,它的频率资源是有限的。为了避免干扰和冲突,我们在电波这条公路上进一步划分车道,分配给不同的对象和用途。


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一直以来,我们主要是用中频~超高频来进行手机通信的。例如经常说的“GSM900”、“CDMA800”,其实意思就是指,工作频段在900MHz的GSM,和工作频段在800MHz的CDMA。


目前全球主流的4G LTE技术标准,属于特高频和超高频。


我们国家主要使用超高频:


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随着1G、2G、3G、4G的发展,使用的电波频率是越来越高的。这主要是因为,频率越高,能使用的频率资源越丰富。频率资源越丰富,能实现的传输速率就越高。


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频率资源就像车厢,越高的频率,车厢越多,相同时间内能装载的信息就越多。


那么,5G使用的频率具体是多少呢?


如下图所示:


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5G的频率范围,分为两种:一种是6GHz以下,这个和目前我们的2/3/4G差别不算太大。还有一种,在24GHz以上。


目前,国际上主要使用28GHz进行试验。


如果按28GHz来算,根据前文我们提到的公式:


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这个就是5G的第一个技术特点—— 


毫 米 波


请注意看最下面一行,是不是就是“毫米波”?


“为什么以前我们不用高频率呢?”


原因很简单——不是不想用,是用不起。


电磁波的显著特点:频率越高,波长越短,越趋近于直线传播(绕射能力越差)。频率越高,在传播介质中的衰减也越大。


激光笔(波长635nm左右),射出的光是直的,挡住了就过不去了。卫星通信和GPS导航(波长1cm左右),如果有遮挡物,就没信号了。卫星那口大锅,必须校准瞄着卫星的方向,否则哪怕稍微歪一点,都会影响信号质量。


移动通信如果用了高频段,那么它最大的问题,就是传输距离大幅缩短,覆盖能力大幅减弱。


覆盖同一个区域,需要的5G基站数量将大大超过4G。更多的基站数量意味更高的成本。


频率越低,网络建设就越省钱,竞争起来就越有利。这就是为什么,这些年电信、移动、联通为了低频段而争得头破血流。


有的频段甚至被称为——黄金频段。


这也是为什么,5G时代,运营商拼命怼设备商,希望基站降价。(如果真的上5G,按以往的模式,设备商就发大财了。)


所以,基于以上原因,在高频率的前提下,为了减轻网络建设方面的成本压力,5G必须寻找新的出路。


出路有哪些呢?


首先,就是微基站。 


微 基 站


基站有两种,微基站和宏基站。看名字就知道,微基站很小,宏基站很大!


宏基站:


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室外常见,建一个覆盖一大片


微基站:

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其实,微基站现在就有不少,尤其是城区和室内,经常能看到。


以后,到了5G时代,微基站会更多,到处都会装上,几乎随处可见。


那么多基站在身边,会不会对人体造成影响?


其实,和传统认知恰好相反,事实上,基站数量越多,辐射反而越小! 


想一下,冬天,一群人的房子里,一个大功率取暖器好,还是几个小功率取暖器好。


基站小,功率低,对大家都好。如果只采用一个大基站,离得近,辐射大,离得远,没信号,反而不好。


天线去哪了?


以前大哥大都有很长的天线,早期的手机也有突出来的小天线,为什么现在我们的手机都没有天线了?


其实,我们并不是不需要天线,而是我们的天线变小了。


根据天线特性,天线长度应与波长成正比,大约在1/10~1/4之间。


随着手机通信频率的越来越高,波长越来越短,天线也就跟着变短了。


毫米波通信,天线也变成毫米级。


这就意味着,天线完全可以塞进手机里,甚至可以塞很多根。


这就是5G的第三大杀手锏—— 


Massive MIMO(多天线技术)


MIMO就是“多进多出”(Multiple-Input Multiple-Output),多根天线发送,多根天线接收。


在LTE时代,我们就已经有MIMO了,但是天线数量并不算多,只能说是初级版的MIMO。


到了5G时代,继续把MIMO技术发扬光大,现在变成了加强版的Massive MIMO(Massive:大规模的,大量的)。


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手机里面都能塞好多根天线,基站就更不用说了。


以前的基站,天线就那么几根:


5G时代,天线数量不是按根来算了,是按“阵”、“天线阵列”。


不过,天线之间的距离也不能太近。


因为天线特性要求,多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上。如果距离近了,就会互相干扰,影响信号的收发。


直的?还是弯的?


其实,基站发射信号的时候,就有点像灯泡发光。


信号是向四周发射的,对于光,当然是照亮整个房间,如果只是想照亮某个区域或物体,那么,大部分的光都浪费了。


基站也是一样,大量的能量和资源都浪费了。 


我们能不能找到一只无形的手,把散开的光束缚起来呢? 


这样既节约了能量,也保证了要照亮的区域有足够的光。


答案是:可以。


这就是——


波 束 赋 形


波束赋形


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。


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这种空间复用技术,由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务,波束之间不会干扰,在相同的空间中提供更多的通信链路,极大地提高基站的服务容量。


别收费,行不行?


在目前的移动通信网络中,即使是两个人面对面拨打对方的手机(或手机对传照片),信号都是通过基站进行中转的,包括控制信令和数据包。


而在5G时代,这种情况就不一定了。


5G的第五大特点——D2D,也就是Device to Device(设备到设备)。


D2D


5G时代,同一基站下的两个用户,如果互相进行通信,他们的数据将不再通过基站转发,而是直接手机到手机。


这样,就节约了大量的空中资源,也减轻了基站的压力。 


不过,控制消息还是要从基站走的,你用着频谱资源,运营商还是要收取费用的。


5G的三大应用场景


2015年9月,ITU正式确认了5G的三大应用场景,分别是eMBB,uRLLC和mMTC。


eMBB,就是Enhance Mobile Broadband,增强型移动宽带。


顾名思义,这种场景就是现在人们使用的移动宽带(移动上网)的升级版,主要是服务于消费互联网的需求。在这种场景下,强调的是网络的带宽(速率)。前面所说的5G指标中,速率达到10Gbps以上,就是服务于eMBB场景的。


uRLLC,是Ultra Reliable & Low Latency Communication,低时延、高可靠通信。


这主要是服务于物联网场景的。例如车联网、无人机、工业物联网等。


在这类场景下,对网络的时延有很高的需求。例如车联网,如果时延较长,网络无法在极短时间内对数据进行响应,就有可能发生严重的交通事故,甚至危害人身安全。这类场景对网络可靠性的要求也很高,不像手机上网,如果网络不稳定,最多引起用户的不满。


mMTC,是Massive Machine Type Communication,海量物联网通信。


这个也是典型的物联网场景。例如智能井盖、智能路灯、智能水表电表等,在单位面积内有大量的终端,需要网络能够支持这些终端同时接入,指的就是mMTC场景。


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这三大应用场景,只有一个是主要为人联网服务的,另外两个都是主要为物联网服务的。这就给5G做了一个定性:它的物联网属性要强于人联网属性。


需要注意的是,三大应用场景并不是指三种不同的网络。网络只有一种,技术标准只有一种,就是5G。


三大应用场景,是指5G将采用网络切片等方式,使一张网络同时为不同的用户提供服务。也就是说,5G不是多种技术标准的合集(如3G,包括了WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA),而是整合了多种关键技术于一身的、真正意义上的融合网络。


目前5G进展


ITU主要负责标准的立项和成果鉴定,并不负责具体的技术研究。真正的标准研究和制定工作,被ITU交给了3GPP组织负责。3GPP接到任务之后,就开始具体着手各项技术的标准研究工作。


5G标准的制定,一共分为两个阶段。


第一阶段(Phase 1)的标准,发布的是3GPP Release15(简称R15)版本,重点是确定eMBB。也就是说,先满足人联网的要求。2018年6月,这个阶段已经如期完成。相关标准已经正式发布。


第二阶段(Phase 2),将发布3GPP Release16(简称R16)版本,即最终的完整版5G,包括uRLLC和mMTC的技术标准。目前来看,这个阶段的完成时间是2020年。


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也就是说,目前5G标准只是完成了一半,真正重要的部分,还要等到2020年才能完成。


包括韩国在内的很多国家,推出的5G网络,并不是真正意义上的完整版本5G网络,将来有待第二阶段标准确认之后,还需要进行进一步的升级和改造。


所以目前来看我国5G商用初期,能够为消费互联网带来更快的网络速度,车联网、无人机、工业物联网等低时延、高可靠通信以及智能井盖、智能路灯、智能水表电表等海量通信接入还有待5G标准的完成。不过从我国在5G标准中的占比能够看出我们在5G中的地位优势,相信未来我国的5G商用不管是在国内还是国际都会有不错的成绩。


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作者:迈卡德科技

来源:简书