什么是5G?关注MWC 2019前你需要了解这些知识

选自digitaltrends

作者:Christian de Looper

机器之心编译

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5G 是什么?5G 的工作原理是什么?5G 可应用到哪些领域?5G 什么时候能够真正实现?美国运营商、中国运营商在 5G 竞赛中做了什么?5G 竞赛中重要参与者都有谁?5G 智能手机值不值得购买?本文将为你解答这些问题。

5G 的研发已有将近十年,终于快要变成现实。2018 年,运营商开始在选定城市中实施固定(fixed)5G,2019 年美国将出现移动 5G,预计 2020 年 5G 将覆盖更多区域。

目前与 5G 相关的问题似乎比答案还多。一些人思考到底什么是 5G、他们的城市里是否会出现 5G,还有一些人对 5G 智能手机更感兴趣。当然,还有人在争论哪个运营商拥有最好的 5G 服务。

如果你对 5G 有问题,请看此文。这里有你想了解的关于 5G 的一切。

5G 的工作原理

在解释 5G 工作原理之前,我们先来看什么是 5G。

5G 即第五代移动通信系统,将最终取代或者至少增强你的 4G LTE 连接。5G 可使下载和上传速度指数倍增加,延迟(即设备与无线网络之间通信的时间)大大下降。

接下来我们来看 5G 的工作原理,这与传统 4G LTE 大不相同。

频谱

图源:https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/oth/0a/0E/R0A0E0000D40001PDFE.pdf

与 LTE 不同,5G 使用三种不同的频谱频段。这看似不重要,但实际上会对人们的日常生活产生极大影响。

低频段频谱:频谱低于 1GHz,是美国运营商在 LTE 中主要使用的频谱频段,不过该频段频谱正在快速消耗。低频段频谱覆盖范围大、穿透力强,但它有一个巨大的缺陷:峰值速率最高仅能达到 100Mbps。

T-Mobile 美国是低频段频谱的主要玩家。在 2017 FCC(美国联邦通信委员会)宣布的 600MHz 频谱拍卖中,该运营商以近 79.9 亿美元获得了 600Mhz 频谱总量中的 45% 低频资源,并开始快速建立全国性 5G 网络。

中频段频谱:提供比低频段频谱更快速的覆盖和更低的延迟。但是,它无法像低频段频谱那样穿透建筑物。中频段频谱的峰值速率预计可达 1Gbps。

Sprint 是美国中频段频谱的主要玩家。该运营商使用多输入多输出(Massive MIMO)来提升中频段频谱的穿透力和覆盖范围。Massive MIMO 指一个盒子、一个蜂窝塔上配备多个天线,向不同的用户同时提供多个波束。Sprint 还使用波束成形(Beamforming)改进中频段频谱的 5G 服务。波束成形向小区(cell)中每个用户发送一个专门信号,使用波束成形的系统监控每一个用户,以确保用户收到连贯信号。

高频段频谱即大部分人所认为的 5G。它通常指毫米波(mmWave)。高频段频谱的峰值速率可达 10 Gbps,且具备极低的延迟。其主要缺陷在于覆盖范围小、穿透力较弱。

AT&T 和 Verizon 已投身高频段频谱。这两家运营商的 5G 覆盖范围将与 LTE 相连,它们正努力构建全国性 5G 网络。由于高频段频谱需要在穿透力、高速用户区域、覆盖区域之间进行权衡,因此它们必须依赖小小区(small cell,便携式小型基站)。

小小区是低功耗基站,覆盖的地理区域较小。借助小小区,使用 mmWave 的运营商可以改进整个覆盖范围。小小区结合波束成形后,可以实现快速覆盖和低延迟。

5G 用例

增强宽带

5G 无疑将改变我们与技术的日常互动方式,但它还有一个严肃的目的。如果我们想继续使用移动宽带,5G 绝对是必要的。

在一些大都市已经出现了 LTE 容量不足的现象,一些城市中的用户正在经历忙时网速变慢的情况。5G 向频段中添加了大量频谱,它们尚未用于商业宽带流量。

自动驾驶汽车

预计自动驾驶汽车将与 5G 同步在美国部署。未来,你的汽车可以与道路上的其他车辆交流,为其他车提供路况信息,为司机和汽车制造商提供性能信息。如果前面有辆车急刹车,你的车会立刻知晓这个信息,并抢先刹车防止出现撞车。这种车辆之间的交流可能会挽救数千生命。

公共安全和基础设施

5G 将会让城市和其他市政单位更高效得运行。公用事业公司将能够轻松地远程追踪使用情况,感知器会在发生城市积水、街灯熄灭时通知市政工作部门,市政单位能够快速、廉价地安装监控摄像头。

远程设备控制

由于 5G 的极低延迟,远程控制重机械将成为可能。虽然主要目标是降低危险环境中的风险,但 5G 能让专业人员从全世界任何地方控制机器。

医疗健康

5G 的超高可靠与低延迟通信(URLLC)组件能够从根本上改变医疗健康领域。URLLC 带来的 5G 延迟降低要比你在增强移动宽带上看到的多,因此它开启了一个新世界。接下来几年,预计我们能够看到 AR 远程医疗、远程恢复和物理治疗,精准外科,甚至远程外科手术的到来。

还记得海量机器类通信(Massive Machine-Type Communications)吗?mMTC 也将会在医疗健康领域扮演重要角色。医院可以配备大量的传感器网络来监测病人,医生可以使用智能药片跟踪用药依从性,保险公司甚至可以监控投保人以选择合适的应对方案与流程。

物联网(IoT)

5G 最激动人心也最重要的一面是它对 IoT 的影响。虽然目前我们拥有能够互相通信的传感器,但它们需要大量的资源,很快就会耗尽 LTE 的数据容量。

有了 5G 带来的速度和低延迟,传感器、智能设备(mMTC)之间的通信将会促进 IoT 的发展。相比当前市场上的智能设备,mMTC 设备所需资源更少,因此大量的此类设备就能连接到单个基站,变得更加高效。

5G 什么时候出现?

那么我们什么时候可以在日常生活中看到 5G 出现呢?这很难回答。美国所有的主要运营商都致力于构建 5G 网络,但在整个美国部署 5G 网络仍需要数年。

需要注意的是,每个运营商使用的 5G 推广策略都不相同。这意味着你的 5G 体验可能会因运营商而异。下文列举了美国运营商和中国运营商的部署计划。

美国运营商

Verizon

Verizon

Verizon 试图成为美国首个提供 5G 的运营商,为此它在 2018 年 10 月开始为多个家庭提供试行标准固定 5G。目前,Verizon 的固定 5G 服务在休斯顿、印第安纳波利斯、洛杉矶、萨克拉门托的部分地区提供。

美国最大的运营商 Verizon 计划 2019 年推广标准移动 5G,它所推广的 5G 频谱较高:mmWave (28-39GHz)。这意味着 Verizon 的 5G 将提供极快的速度,未来数年它将与其 LTE 频谱相连。

至于硬件,Verizon 已经发布了两款移动 5G 设备。2018 年 12 月,三星和 Verizon 宣布将在 2019 年上半年合作发布一款 5G 手机。Verizon 还宣布为 Moto Z3 手机提供 5G Moto Mod。还有 Inseego Mi-Fi 5G 热点,它使用高通骁龙 855 芯片,计划于 2019 年上市。

AT&T

AT&T 是美国第一个运行真正 5G 服务的运营商。2018 年 12 月,AT&T 开始为亚特兰大、夏洛特、达拉斯、休斯顿、印第安纳波利斯、杰克逊维尔、路易斯维尔、新奥尔良、俄克拉荷马市、罗利、圣安东尼奥和韦科市的部分区域提供 5G 服务。2019 年初,AT&T 将在奥兰多、拉斯维加斯、纳什维尔、洛杉矶、圣地亚哥、旧金山和圣荷西的部分区域部署 5G。

AT&T 最初将其 5G 服务限制在选定的企业和消费者群体中。它计划在向更大群体推广 5G 服务之前,先向该群体提供至少三个月的免费 5G 服务和设备。2019 年初 AT&T 向大众推广 5G 服务时,会以热点服务的形式提供服务,收费标准为 70 美元每月/15GB 数据。

与 Verizon 类似,AT&T 正在推广 mmWave 频谱移动 5G。AT&T 实验室无线电技术和策略副总裁助理 Dave Wolter 在接受 Urgent Communications 采访时,介绍了其初期 5G 服务愿景。「如果你处于市中心,除非你走到角落,否则到处都是线;如果是林荫道,则环境大不相同;如果到处都是树,那么 5G 服务的提供将更加困难。环境中的所有事物都将影响我们可以到达的范围。」

2018 年 12 月,AT&T 称其将与三星合作在 2019 年春发布 5G 手机。早些时候 AT&T 还宣布将推出 Netgear Nighthawk 5G Mobile Hotspot 设备。

在固定 5G 服务方面,AT&T 要走的路更长一些。行业出版物 SDX Central 报道称 AT&T 将于 2019 年末在公民宽带无线服务(CBRS)频谱上推出固定 LTE 服务,并最终转换为 5G 服务。

T-Mobile

美国的「非运营商」T-Mobile(2013 年 T-Mobile 宣布「Un-carrier」(非运营商)战略)更加审慎。它没有选择竞争第一名,而是意图提供更可靠的服务和更大的覆盖范围。2018 年初,T-Mobile 宣布将在 30 个城市中构建 5G 网络。预计 2019 年初,T-Mobile 将在纽约、洛杉矶、达拉斯和拉斯维加斯推出 5G 服务。该运营商计划 2020 年提供全国性 5G 服务。

T-Mobile 的 5G 部署策略与 AT&T、Verizon 完全不同。其最初的服务并未使用 mmWave,而是使用低频段频谱 (600MHz)。对于消费者而言,这意味着更可靠的 5G 网络、较低的延迟,但网速略慢。不过,T-Mobile 也在积极使用 28GHz 和中频段频谱构建 5G 网络,以提供更快的速度和容量。

至于固定 5G 方面,T-Mobile 似乎想掀起巨浪。在向 FCC 提交的声明中,T-Mobile 计划在 2021 年获取超过 190 万家用无线宽带客户。2024 年,T-Mobile 计划向美国过半邮区提供固定 5G,成为美国第四大家庭网络服务提供商(ISP)。

鉴于 T-Mobile CEO John Legere 曾公开抨击 AT&T 和 Verizon 推出的 5G 服务需要通过移动热点设备才能使用,因此 T-Mobile 应该不计划发布自己的热点设备。我们预计 T-Mobile-compatible 5G 智能手机将于 2019 年初发布。

Sprint

与 T-Mobile 类似,Sprint 在 5G 竞赛中也不争先。Sprint 宣布将于 2019 年初在纽约、凤凰城、堪萨斯、芝加哥、达拉斯、休斯顿、洛杉矶和华盛顿哥伦比亚特区提供 5G 服务。未来还会扩展其他市场。

Sprint 初期将在中频段频谱 (2.5 GHz) 上搭建 5G 网络。该频谱与其 4G 网络所用频谱相同,Sprint 计划在蜂窝塔上使用 128 个无线 massive MIMO 设备来实现 4G/5G 分离。Sprint 拥有大量 2.5GHz 频谱,因此它可以使用多出的中频段频谱在大城市快速、相对廉价地推广 5G 服务。

至于硬件,Sprint 实际上承诺 2019 年推出 3 款 5G 产品。2018 年 8 月,Sprint 宣布将与 LG 合作,在 2019 年上半年发布一款 5G 智能手机。2018 年 11 月,Sprint 计划与 HTC 合作,于 2019 年初发布 5G 移动智能网络中心(5G Mobile Smart Hub)。12 月,Sprint 称与三星合作的 5G 智能手机也将在 2019 年发布。

T-Mobile 和 Sprint 合并

T-Mobile 和 Sprint 合并会发生什么呢?这两家运营商称合并有利于经济和国家发展。2018 年 4 月,T-Mobile 和 Sprint 正式宣布将会合并,合并后的新公司名为「New T-Mobile」,拥有多个频段频谱,或将成为美国首个全国性 5G 运营商。

这两家公司的带宽合并后基本上可以带来更快、更可靠的全国性 5G 推广,但仍然存在一些问题。对于用户来说,美国贫乏的运营商市场无法提供太多选择。这意味着针对消费者和移动虚拟网络运营商(MVNO)的竞争较少。

还有外资的问题。T-Mobile 的母公司是德国企业 Deutsche Telekom,Sprint 由日本投资巨头软银控股。Deutsche Telekom 在 FCC 或 DOJ(美国司法部)审核中并未吸引太多眼球,而这些机构有可能对软银提出异议,因为软银与中国电信企业联系颇多。

中国运营商

2017 年 11 月,中国工业和信息化部(工信部)发布 5G 系统在中频段内的频率使用规划。规划明确了 3300-3600MHz 和 4800-5000MHz 频段作为 5G 系统的工作频段,其中,3300-3400MHz 频段原则上限室内使用。

2018 年底,中国工信部向中国电信、中国移动、中国联通发放了 5G 系统中低频段试验频率使用许可。其中,中国电信和中国联通获得 3500MHz 频段试验频率使用许可,中国移动获得 2600MHz 和 4900MHz 频段试验频率使用许可。5G 系统试验频率使用许可的发放,有力地保障了各基础电信运营企业开展 5G 系统试验所必须使用的频率资源,向产业界发出了明确信号,将进一步推动中国 5G 产业链的成熟与发展。

按照工信部部署,我国将于2020年实现5G商用。中国工信部表示将积极指导各基础电信运营企业做好 5G 系统试验的基站部署,开展好 5G 系统基站与同频段、邻频段卫星地球站等其他无线电台站的干扰协调工作,确保各类无线电业务兼容共存,促进中国 5G 产业的健康快速发展。

三大运营商的 5G 时间表(图源:http://www.xinhuanet.com/info/2018-08/31/c_137433396.htm)

中国移动

中国移动的 5G 技术创新起步较早,涵盖了终端、无线、核心、传送、ICT 融合等多个领域。2016 年底,3GPP 正式启动 5G 系统设计,中国移动牵头开展了 5G 系统架构标准项目,此外还牵头了 5G 场景和需求项目、无线智能网研究项目。

2017 年 6 月中国移动联合中兴通讯在广东开通了国内首个用于试点测试的 5G 基站,成功实现「秒下」高清电影。2017 年 7 月在北京启动了第一个 5G 试验网。2017 年 8 月成功完成了业界首个 5G 承载网 OTN 端到端低延迟传输测试。2017 年 11 月成功实现了全球首个基于 3GPP R15 标准的端到端 5G 新空口(5GNR)系统互通(IoDT),实现了实时直播 16 路 4K 高清视频。2018 年 2 月世界移动通信大会期间,中国移动联合终端伙伴发起了「5G 终端先行者计划」。2018 年 7 月,中国移动与诺基亚公司签订了 10 亿欧元的 5G 供应订单。中国移动将在杭州、上海、广州、苏州、武汉 5 个城市开展 5G 外场测试。2018 年 12 月,中国移动召开「5G 创新合作峰会」,发布了《5G 终端产品白皮书》,宣布在 17 个城市全面启动面向商用的 5G 测试,将于 2018 年底推出首批 5G 终端芯片,2019 年一季度推出首批 5G 终端。

中国联通

2018 年 3 月,中国联通在北京召开政企客户新产品发布会,会上披露了联通 5G 的时间进度表:2018 年进行 5G 规模试验,2019 年预商用,2020 年正式商用。2018 年 1 月,中国联通向工信部递交申请,计划在北京、天津、上海、深圳、杭州、南京、雄安 7 城市进行 5G 试验,后宣布将在 16 个城市开展 5G 试点。在 MWC 2018 上,中国联通联合中兴通讯、英特尔共同发布了《中国联通 Edge-Cloud 平台架构及产业生态白皮书》,并宣布中国联通 Edge-Cloud 大规模试点正式启动。中国联通也将参加近日举行的 MWC 2019,并宣布将在大会首日联合多家合作伙伴,推出创新产品、签署战略合作协议,包括中兴天机 Axon 10 Pro、努比亚曲面柔性屏黑科技产品等。同时,一加手机官方宣布与运营商中国联通达成战略合作,共同推进 5G 的发展,双方成为紧密的 5G 战略合作伙伴。

中国电信

2017 年 8 月,中国电信在河北雄安新区雄县宣布 5G 创新示范网建设启动,同时发布《中国电信5G创新示范网白皮书》,力争 2019 年实现 5G 试商用,2020 年实现 5G 商用。2017 年 11 月 8 日,中国电信在雄安新区开通第一个 5G 基站,中国电信率先在雄安建设了全国最大的 5G 试验网和创新示范网。中国电信的 5G 试点城市暂定为「6+6」,包括之前确定的雄安、深圳、上海、苏州、成都、兰州 6 个地区,还将扩大试点范围再增设 6 个城市。2018 年 6 月 26 日,中国电信在 2018 上海世界移动大会上发布《中国电信 5G 技术白皮书》,其 5G 网络将优先选择 SA 方案组网,通过核心网互操作实现 4G 和 5G 网络的协同。

5G 重要玩家

全世界多个国家参与 5G 竞争。美国、韩国、日本和中国可能是首个出现商业化 5G 服务的国家,但其他国家也不甘人后。

大规模 5G 部署需要大量基础设施投资。目前有六个主要企业为全世界的 5G 部署提供网络产品。

高通

首先是高通。这家电信巨头持有所有 5G 专利的 15%,大大超过其他竞争对手。从智能手机到小小区,高通渗透 5G 的方方面面。

近年来,高通发布了多款主要硬件,以启动移动 5G 革命。2016 年,高通发布 X50 5G 调制解调器,这也是世界首款 5G 调制解调器。2018 年高通发布了第一批用于智能手机的集成式毫米波射频天线 QTM052,后来又发布了用于 sub-6GHz 5G 的第二款天线。2018 年末,高通发布了骁龙 855 移动平台,这是世界首个具备千兆位 5G、AI 和扩展现实(XR)能力的商业移动平台。

除了消费者硬件以外,高通还在构建网络解决方案。它创建了首个针对小小区的 5G NR 解决方案,并与三星合作创建商业化小小区。

预计 2019 年高通将称霸消费者 5G 技术。2018 年 12 月,高通与 20 多家制造商、20 多家运营商一道,致力于为全世界提供 5G 网络和产品。

华为

华为一度被认为是 5G 竞赛中的领跑者,直到 2018 年它遇到了一些严重障碍。美国出于安全考虑封杀了这家中国电信巨头,华为在多个国家受到安全指控。

不过,华为在全世界范围内拥有 20 多个商业 5G 合同。华为称其设备绝对安全,至少有部分针对华为的禁令是由于政治因素,而非安全考虑。

近日,华为在 MWC 2019 发布会上宣布即将推出首款 5G 折叠屏商用手机。该手机支持 SA 和 NSA 架构,在通信频段的支持上也做到了业内最广泛,支持 TDD/FDD。

诺基亚

芬兰电信巨头诺基亚(Nokia)是 5G 市场中的一个重要参与者。这家公司与全世界多家运营商、多个国家合作提供 5G 网络设备。

诺基亚正在构建一些大规模 5G 合作关系。2018 年,诺基亚与英国运营商 O2 合作在伦敦进行了两次 Massive MIMO 试验。今年初,T-Mobile 与诺基亚签署了一个 35 亿美元的订单,以在其 600MHz 和 28GHz 频谱上构建全国性 5G 网络。2018 年初诺基亚还发布了一个重磅消息,它将为 2020 东京奥运会提供 5G 网络。

爱立信

瑞典电信企业爱立信(Ericsson)正在寻求 5G 突破。爱立信在美国的影响不如其他 5G 提供商,不过它正在与中国主要运营商合作进行 5G 现场试验。

此外,爱立信还与汽车行业有合作。2018 年,爱立信与沃尔沃签署了一项五年合作,就一系列 5G 连接车辆展开合作。

三星

人们想起 5G 和三星时可能首先想到的是智能手机,但是这家公司还为运营商提供网络解决方案。2018 年,三星与 Verizon 合作,为 Verizon 首个商业化 5G 举措提供固定 5G 网络解决方案。2018 年,这家韩国技术巨头还被 AT&T 选中,为其提供在 CBRS 网络上使用的 5G 设备。

除了美国运营商以外,三星还在世界其他国家掀起了不小的 5G 浪潮。三星称其被韩国电信(South Korea Telecom)选中为其提供 5G 解决方案。

中兴

中国电信企业中兴也想在 5G 竞赛中留名。2018 年,中兴与中国政府合作开展中频段和核心 5G 测试。中兴还与卡塔尔运营商 Ooredoo 签署协议,为其 1.64 亿消费者提供消费者级解决方案。

5G 简史

5G 指的是第五代蜂窝移动通信技术,它将彻底替代 4G LTE,提供更快、更可靠、延迟更低的服务。但 5G 的最终面目由谁来决定呢?

国际电信联盟(ITU)是联合国的一个专门机构,为通信技术创建技术标准,为无线电频谱使用和电信互通(telecommunications interoperability)创建规则。2012 年,ITU 创建了一个名为「IMT for 2020 and beyond」(IMT-2020)的项目,用于研究、确立 5G 的最低要求。经过几年的努力,该机构已经于 2017 年拟出了 5G 的 13 项最低要求。

ITU 确立了 5G 的最低要求之后,第三代合作伙伴计划(3GPP,是由多个电信标准组织共同参与的合作项目)就开始着手制定 5G 标准。2017 年 12 月,3GPP 完成了非独立组网(NSA)标准,并于 2018 年 6 月完成了独立组网(SA)标准。

NSA 和 SA 标准的规范是相同的,区别在于 NSA 使用现有 LTE 网络,而 SA 将使用下一代核心网络。运营商正在启动 NSA 功能,这意味着你在非 5G 环境中将倒退回 4G LTE。

3GPP 设置的标准紧密对应于 IMT-2020 设定的性能目标,这些标准比较复杂,不过以下对其进行了扼要概述:

  • 峰值速率:5G 将提供快速的数据速度。每台移动基站的峰值下行速率可达 20Gbps,峰值上行速率可达 10Gbps。不过,这并非你能使用 5G 体验到的速度(除非你有一个专用的网络连接),其速度由小区内的所有用户共享。
  • 现实世界速度:尽管 5G 的峰值速率非常高,但实际速度与峰值速率并不相同:用户下载速度为 100Mbps,上传速度为 50Mbps。
  • 延迟:延迟即数据从一个点传输到另一点所用时间。完美环境下延迟应在 4 毫秒,而 URLLC 的延迟仅有 1 毫秒。
  • 效率:无线接口在使用时应该是节能的,而在不使用时应该调整到低能耗模式。完美情况下,无线接口应该能够在停止使用的 10 毫秒时间内转入低能耗状态。
  • 频谱效率:频谱效率即「对频谱或带宽的优化利用,以在最少传输错误的前提下实现最大量的数据传输」。5G 应该具备比 LTE 更高的频谱效率,下行频谱效率 30bits/Hz,上行频谱效率 15 bits/Hz。
  • 移动性:有了 5G 以后,基站应支持从 0 到 310 mph(每小时所醒英里数)的移动。这基本上意味着基站应该在大量天线移动时也能正常运行,即使是在高速列车上依然如此。这对于 LTE 网络很简单,但这种移动性对于新的毫米波网络是个难点。
  • 连接密度:5G 应比 LTE 支持更多连接设备。标准状态下,5G 应能够支持 100 万台连接设备每平方公里。这是一个巨大的数字,考虑到了大量物联网设备。

5G 手机值得买吗?

5G 无疑会改变我们彼此互动和媒体互动方式,但这些不是一蹴而就的。5G 在美国顺利运行还需要数年时间。尽管这是个人选择问题,但 2019 年初购买 5G 手机可能不是明智的决定。除了 5G 覆盖不够全面之外,硬件也只是第一代。

电信巨头爱立信为等待 5G 手机提供了很好的理由。该公司在一份报告中表示,第二代 5G 芯片将于 2019 年底发布,架构将得到增强,能耗也更低。以下网址列出了支持 5G 的手机名单:

https://www.digitaltrends.com/mobile/5g-capable-phones/。

原文链接:https://www.digitaltrends.com/mobile/what-is-5g/

原文发布于微信公众号 - 机器之心(almosthuman2014)

原文发表时间:2019-02-26

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