从专业角度来讲，5G 比 4G 网络网速快的原因是什么？

近日，腾讯无线网络与物联网技术负责人李秋香与高校科研教授、产业链、运营商等各行业的嘉宾一起参与了知乎「 科技共振之 5G+ 」活动，除了专业的5G探讨，也聊了不少和开发者们息息相关的问题.基于此，腾讯云开发者社区联手知乎科技，从知乎超过 10000 条 5G 相关问答中精选内容落地社区专题「 共探 5G 」。

本文为知乎用户甜草莓关于“ 从专业角度来讲，5G 比 4G 网络网速快的原因是什么？”的内容分享。

事实上不是“5G比4G要快“，而是”为了比4G快，提出了5G“。3G以后的每一代无线通信都是先提出目标，然后再考虑系统设计和技术选用。

所以我们可以看看4G与5G所提出关于“快”的定义(目标)分别是什么：

大概可以理解为传输速率快，传输延迟低。

传输速率快

任何对通信数据传输速率的提升都绕不开香农信道容量公式：

那就很容易理解咯，我们在5G也会采用同样的方式来提高数据传输速率: 提升频带宽度和提升信噪比。具体起来就是，

毫米波(提升频带宽度)

更先进的波束赋形(提升信噪比)

超大规模天线，全双工无线(提升频带宽度和信噪比，空域)。

毫米波

1-4代无线通信中采用的300MHz-3GHz频谱有穿透性好，覆盖范围大等优点，但是有一个很重要的缺点： 就是频带宽度太窄了！！这个频段内的无线设备太多了！！频谱已经快分完了。

频谱又不存在负的，所以为了大容量高速率数据传输，只有往3GHz以上寻找可用频谱。

我们往上看看，那就是毫米波频段了(3GHz-300GHz)。毫米波频谱中存在两个特殊部分，氧气吸收频段(57-64GHz)和水蒸气吸收频段(164GHz-200GHz), 这两种频段不能用来通信，所以毫米波频段共有252GHz频带宽度可供使用 (此处应该再强调一下1-4代商用通信全都拥挤在3GHz以下频谱里)。

当然实际上5G是用不了那么多频带的，在各国毫米波频谱划分里，分给5G的毫米波频段宽度大概有3-6GHz，这已经足够把数据传输速率提升10倍左右了。

不过需要强调的是，5G标准需要三种频段，毫米波频段主要负责高速数据传输，目前毫米波的标准还未确定。虽然毫米波已经在雷达，航天和军用通信中都有使用，但是在民用通信中还有很多很多挑战。。这也是当前非常非常火热的无线通信研究方向，在这篇回答里就不深入介绍了。

更先进的波束赋形

4G中的基站天线是定向天线和全向天线混用(谢谢评论区提醒)，5G中由于毫米波覆盖范围窄，路径损耗大，复杂天气影响严重，所以需要通过波束设计完成发射能量聚焦，从而提升接受信号能量，提升信噪比(此处请回忆信道容量公式)，和覆盖范围。

波束赋形后的方向性波束可以帮助提升基站覆盖范围。而且，基站能量会更加有效。

实际上，由于5G中的波束赋形涉及Massive MIMO和毫米波的窄波束用户追踪、小区间波束切换调度和基站的LOS和NLOS问题，会更加困难一些，这同样这是一个很棒的无线通信研究方向。现在学术界很多人在考虑通过在基站覆盖范围内划分扇区，来帮助多天线波束切换。

Sectorized Antenna

超大规模天线（Massive MIMO）

无线通信中的多天线系统需要对每个天线赋予权重，才能提高空间分集/或复用增益。而现实情况下，这种算法是非线性的且计算复杂，天线越多越复杂。

但是令人惊奇的是，当天线数目非常非常多的时候，简单的线性预编码就可以很好的逼近最优结果。所以Massive MIMO自从提出就吸引了大量目光。

Massive MIMO test bed

5G中Massive MIMO可能会有大量应用，不仅仅是大型宏基站，小型的毫米波发射器也有可能会装备Massive MIMO系统，因为毫米波天线波束窄，天线长度短，更适合Massive MIMO应用。

回到话题，Massive MIMO的好处是最大程度利用空域 资源，可以通过波束赋形同时提供多个波束服务小区用户，并可以同时提高用户的信噪比，提升数据传输速率。但是Massive MIMO中预编码，信道估计一直是个难题。

全双工无线电(目前不在Release 15中)

现存所有无线发射装置都是半双工的，半双工的意思是发送信号的同时不能接受信号---否则会干扰自己。（毕竟不是人类，自己说的话暂时还区分不清楚。。。。

全双工无线电就是同时收发信号，这样可以把数据传输速率X2，当然代价是图中的自干扰(红色圆弧)问题，甚至当用户过多时，用户之间的干扰也会X2。5G里的核心网设计是以C-RAN为主，这意味着可以通过中心化调度减轻自干扰，同时可以利用方向性天线，波束赋形，吸收屏蔽(absorptive shielding）和交叉极化(cross-polarization )完成收发机之间的孤立。

这样全双工无线电是可以应用在5G中的。

上述就是5G中的物理层技术进展，联合起来使用，也就是怎么做到“传输速度快”的。

传输延迟低

我们这里说的延迟是round-trip latency，大概可以理解为数据在接入网和核心网中往返所需的总时间。因为无线电的传播速度是相对固定的，无法压缩，所以有两种方法降低：降低信令损耗和压缩网络处理过程。

降低信令损耗的方式就是尽量减少不必要的信令，比如

• 通过全双工技术减少信道估计时间，
• 因为毫米波的多普勒扩展很少，所以可以缩减OFDM信号的CP前缀，压缩OFDM帧长度，
• 通过网格化设计毫米波基站，降低干扰和时延

压缩网络处理，形象理解就是扁平化公司等级，把决策权力下放。这样“向上汇报”次数少了，就会显著降低网络中不必要的开销。这其它答主也有提到。

标准的压缩核心网方式，就是“不经过不必要的处理单元”，换句话是控制结构和数据传输结构分离。当然现在还有很多其他的解决方案。

一种比较好的压缩网络结构思路是现在学术界很火热的“fog computing”雾计算，就是把一些重复性计算工作下放，用无线接入端（基站等）做计算处理单元，这样就可以当做一种另类的“计算缓存”，大大降低网络延迟。

另外一种就是非常正统的，当然也是非常热的研究方向"wireless caching”无线缓存，这种思路是缓存内容，以降低传输延迟。

fog computing

这些就是5G中的延迟部分进展，主要是MAC层技术，大概在讲怎么有效调度资源，怎么降低时延。

5G中还有其他很多不同的指标，比如“降低能量损耗”，“提高用户服务质量”，“提高小区容量”，这是每一句话都是一个非常大的话题，背后有很多研究所，很多大学都做出了非常棒的工作，其中的每个小领域都有很多人在研究，但是因为跟问题无关我就不仔细介绍了。

所以，您也可以看到，5G是通信产业界和学术界联合运作的结果，标准组织(产业界)提指标，选择合适技术和指导技术方向，研究机构和大学提出解决方案，完善技术路线（当然，时间顺序并不一定是这样的)。如果解决方案中有瑕疵，那么学术界继续完善，最终达到性能指标。

产业和学术一起合力，最后才是完整的5G。

谢谢。

1. Agiwal M, Roy A, Saxena N. Next generation 5G wireless networks: A comprehensive survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2016, 18(3): 1617-1655.
2. H. Holma, A. Toskala, and J. Reunanen, LTE Small Cell Optimization: 3GPP Evolution to Release 13. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2015.
3. J. G. Andrews et al., “What will 5G be?” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 32, no. 6, pp. 1065–1082, Jun. 2014
4. GSMAIntelligence,“Understanding5G:Perspectivesonfuturetechno- logical advancements in mobile,” White paper, 2014.
5. NTTDocomo,“5Gradioaccess:Requirements,conceptstechnologies,” White paper, 2015.
6. Ericsson,“5Gradioaccess,”Whitepaper,2015.
7. Qualcomm Technologies, Inc., “Qualcomm’s 5G vision,” White paper, 2014.
8. Huawei,“5Gatechnologyvision,”Whitepaper,2013.

作者：甜草莓

链接：https://www.zhihu.com/question/302392278/answer/556298978

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