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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,云加社区联手知乎科技,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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