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要了解5G,这几大技术需要先掌握

2016-05-17 07:31 大数据实验室

移动通信技术近几年以来发展迅速,经历过了几代技术的积累与沉淀,新一代通信协议也渐渐出现在我们的视野中,我们称其为“5G”,何为“5G”?本文就以5G为中心,从它的概念、未来发展、以及其中几大重要的技术说起,希望看完后,对你有一些帮助。

  5G的概念:

  5G是第五代移动电话行动通信标准,也称第五代移动通信技术,在字面上5G是英文“第五代”的缩写,此前移动通信领域已经历了四代技术的发展,其特征从模拟技术、数字技术一直走到了现在的高速多媒体通信。受访的上述中国企业提出的5G设想,其特征包括可接入设备显著增加、端到端时延减少、用户速率提高、能够为移动互联网和物联网的发展创造条件等。

  2014年5月13日,三星电子宣布,其已率先开发出了首个基于5G核心技术的移动传输网络,并表示将在2020年之前进行5G网络的商业推广。

  5G的未来:

  三星在5G网络上的取代技术突破,将给全球5G网络研发带来活力,并推动其商业化进程,同时有助于5G网络技术国际标准的制定。

  为抢占未来市场,当前全球多个国家已竞相展开5G网络技术开发,中国和欧盟正在投入大量资金用于5G网络技术的研发。

  当前全球多个国家已竞相展开5G网络技术开发,中国和欧盟都为此投入了大量资金和研发力量。三星在5G网络上取得的技术突破,将进一步加剧全球5G网络研发的竞争,加速其商业化进程。三星电子DMC研究所有关专家表示,随着移动网络数据传输速度的突飞猛进,画质超过全高清4倍-8倍的超高清(UHD)影像以及3D立体影像制作业也将迎来发展的新时期。

  如果3G网速是清风,4G网速是暴风,那么5G网速应该就是龙卷风。随着20Gbps速度5G网络的临近,未来的生活将会发生哪些变化?

  网速更快资费更低

  网速快不是5G的唯一标准,但对用户而言,5G最起码要网速更快,到底有多快?

  韩国三星公司曾经在2013年测试过1Gbps的5G网络,这意味着下载一部高清电影只需要1秒。而英国最新一项实验证明,无线数据连接的速度最高可以达到800Gbps,相当于在一秒钟之内可下载800部高清电影。

  网络资费高,一直是中国用户的心头之痛。4G商用之初,就有用户吐槽 “一夜不关流量房子归移动”。 5G时代,这种担心就变得多余了,当5G开始商用,网络资费会进一步降低。

  衣食住行万物互联

  可以说,从4G到5G,将会是根本性的革命,通信技术能真正广泛地应用,实现万物互联,尤其是交通、医疗、工业等领域。

  据5月末我国发布的 《5G网络技术架构白皮书》,到2020年左右,5G将大规模商用,实现数据流量千倍增长,使经济生活从过去的移动互联网扩展到物联网领域。

  到2020年,外界普遍预测全球将会有500亿到1000亿部设备接入到互联网中。据预测,5G如果全部实现部署以后,其所提供的连接数会达到千亿数量级,万物联网将成为现实,包括远程手术、无人驾驶汽车和各种各样的“物联网”。

  物联网可不仅仅只是让你通过远程控制的方式提高室内温度或冰箱提醒你购买牛奶,甚至在列车还未到站的时候就可以告诉等车的乘客们现在还有多少空座,5G网络还将支持可佩戴式设备,例如健身跟踪器和智能手表、智能头盔、智能家庭设备如鸟巢式室内恒温器等。

  与WIFI无缝对接

  5G网络将比以往任何移动网络连接都更加稳定,延迟性降低,同时,无线技术的进步将会让网络突然中断的现象变得越来越少,延迟指的就是发出命令和命令得到响应之间的时间差。

  曹淑敏介绍了5G时代的“低延迟、高可靠场景”,比如说,在无人驾驶的领域,汽车在驾驶时要有毫秒级的反应。除无人驾驶汽车外,还有许多其他技术都对网络的低延迟性拥有很高的要求。比如智能交通、远程控制手术、远程控制机器人进行复杂操作等。爱立信预测,5G网络的延迟将会在1毫秒之内,比目前4G网络的延迟快了50倍。这非常重要,尤其是在医生需要依靠网络进行远程手术或诊断的时候。

  全球顶尖通信信息研究机构贝尔实验室无线研究部副总裁介绍,5G时代,手机用户对移动网络和WIFI网络的感知差异可能将消失。用户从室外到室内,从移动网络连接到WIFI,可以无缝、平滑过渡,省去了切换网络、输入密码等繁琐步骤,几乎感觉不到WIFI“存在”,包括语音通话也可以在WIFI网络上传输。从用户角度来看,WIFI似乎“消亡”,而其实是与移动网络融合,让用户感知不到两者的差异。

  此外,5G还适用于 “低光耗、大连接”的场景,比如在桥梁、高速铁路、野外等等,会大量使用传感器,有了5G技术,能做到低功耗,就能长时间使用。 

  需要关注的技术:

  1、增加带宽是关键

  5G最显著的特点是高速,按规划速率会高达10~50Gbps,人均月流量大约有36TB。如此高的速率该靠什么资源来支撑呢?必须要靠更大的带宽!

 

  带宽用字母B来表示,它就好比是道路宽度,最大速率用C来表示,它就好比是道路的最大车流量。显然易见,4车道的最大车流量是2车道的2倍,8车道的是2车道的4倍,这非常好理解。

  增加车道数是提高最大车流量最直接有效的方法,同样地,提高速率的最直接有效的方法就是增加带宽。我依然记得读研究生时,老师在讲到带宽时掷地有声地说:“你们给我记住:高速就是宽带,宽带就是高速!

 

  人们对通信速率要求越来越高,迫使着信道的带宽就越来越宽,几根电话线的带宽不够,那就增加到几百根,几百根不够就换成同轴电缆,电缆带宽不够就换成光纤,有线通信的带宽就是这样一代代地递增着。

  而手机通信使用的是无线信道,那它的带宽是如何增加的呢?核心方法就是采用更高的频段。


 

  上过初中的都知道【光速=频率×波长】这个公式,知道这个公式就能看懂上面这个表格了,频率与波长成反比,两者之积等于光速,即30万公里/秒。

  请看表格中两个黄色块的数据,数值都是3~30,但单位不同,甚低频段的整个带宽是27kHz,超高频段的整个带宽是27GHz,后者是前者的100万倍!由此可见,频段越高且带宽越大,这点非常好理解,好比是低保户和大富豪都拿出全部的财产,后者会比前者多得多。

  所以关系就来了:5G时代若想更高速,就得使用更大的带宽,而要取得更大的带宽,就得使用更高的频段。4G之前使用是特高频段,5G就得往超高频甚至更高的频段发展了。根据国际电信联盟的专家预测,将来有可能使用30GHz~60GHz的频段,俄罗斯专家甚至提出了80GHz的方案。

  30GHz以上的频段,比上表中最后一项的超高频还要高,其波长自然要比厘米段更短,那就是更短的毫米波,因此毫米波就顺理成章地成为了5G的一项关键技术。

  2、毫米波技术

  电波传播的特性很有趣,频率越高(即波长越短)的电磁波,就越倾向于直线传播,当高到红外线和可见光以上时,就一点也不打弯了,这是个渐进的过程。

 

  毫米波一般不用于移动通信领域,原因就是它的频率都快接近红外线了,信道太“直”,移动起来不容易对准。请想象一个场景,您拿着激光笔指远处墙壁上的图钉,是不是一件很困难的事?

  例如卫星车就很难“动中通”,开动起来车身摇摆,天线(就是那个大锅)就很难对准卫星,通常只能驻车后工作,而且必须精细调整天线的角度,使其电波的辐射方向正对着卫星,否则就无法通信。

  手机是移动使用的,不可能打电话时还举着手机瞄准准基站的方向,那样实在是反人性。虽然在非正对方向也有信号,但强度会明显衰弱,使用体验会比4G之前要差得多。

 

  电磁波有五种传播模式,相对于未来的5G时代,我们现在手机的频率要低得多,其绕射能力还是不错的,楼房阴影处的信号也没太大问题,因为信号可以绕着到达。

 

  而未来5G的频率会高得多,绕射能力会下降,信号只能傻楞楞地直着走,以往信号能到达的犄角旮旯就到不了了,那该怎么办呢?这就引出了更一项技术—微基站技术。

  3、大规模MIMO

  大规模MIMO技术作为5G的一项关键技术,可利用多天线多用户空分技术成倍提升频谱效率,帮助运营商最大限度利用已有资源。

  大规模 MIMO的基本特征是:在基站覆盖区域内配置数十根甚至数百根以上天线,较 4G系统中的4(或8)根天线数增加一个量级以上,这些天线以大规模阵列的方式集中放置。这样可带来的好处是:首先,基站覆盖范围内的多个用户可在同一时频资源上与基站同时进行通信,充分利用大规模天线配置带来的空间自由度,提升频谱效率;其次,利用大规模天线带来的分集增益和阵列增益,还可提升用户与基站通信的功率效率。

  其实,早期提出的分布式协作网络,就已经引入了多用户MIMO的通信模式。在分布式协作网络中,处于不同地理位置的节点(分布式天线)在同一时频资源上完成与不同用户终端的通信,在提高频谱效率和功率效率的同时,也改善了小区边缘用户的性能。然而,传统的分布式天线往往会出现频谱效率和功率效率提升的“瓶颈”问题,这使得大规模MIMO在深度挖掘和利用空间维度方面独具优势。

  当然,大规模MIMO也存在一些技术上的挑战。首先是大规模MIMO信道建模问题,目前大部分研究都假设大规模MIMO信道是独立同分布信道,但实测结果却表明,信道能量往往集中在有限的方向上;其次是导频污染问题。在TDD大规模MIMO传输方案中,各用户向基站发送正交的导频信号,基站估计上行信道后利用信道互易性来获得下行信道参数,然而,随着用户数目的增加,导频开销也随之增加,相互正交的导频就变得不再够用,这就是所谓的“导频污染”;另外,在多用户传输技术方面,如何在有限的信道信息条件下实施下行预编码和上行多用户联合接收等,都是大规模MIMO中有待解决等关键问题。

  总之,传统的MIMO技术目前已商用并趋于成熟,而大规模MIMO技术能够更充分地利用空间维度,大幅度地提升频谱效率和功率效率,必将成为5G移动通信系统中的一颗耀眼明珠。

  4、波束赋形技术

  中国主导的3G国际标准TD-SCDMA有六大技术特点,其中有一项就是智能天线,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,而且能跟据手机的移动而转变方向。

  由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务,这种新形式的无线电波束就不会干扰到其它方向的波束,从而可以在相同的空间中提供更多的通信链路。这种充分利用空间的无线电波束技术是一种空间复用技术,可以极大地提高基站的服务容量。

  遗憾的是这项技术没有在3G时代得到应用,但在5G入网设备数量成百上千倍增加的情况下,这种波束赋形技术所能带来的容量增加就显得非常有价值,波束赋形技术很可能成为5G的关键性技术之一。

  波束赋形技术不仅能大幅度增加容量,还可大幅度提高基站定位精度。当前的手机基站定位的精度很粗劣,这是源于基站全向辐射的模式。当波束赋型技术成功应用后,基站对手机的辐射波瓣是很窄的,这就知道了手机相对于基站的方向角,再加上通过接收功率大小推导出手机与基站的距离,就可以实现手机的精准定位了,并因此而扩展出非常多的定位增值服务。

  5、C-RAN技术:

  C-RAN是根据现网条件和技术进步的趋势,提出的新型无线接入网构架。C-RAN是基于集中化处理(Centralized Processing),协作式无线电(Collaborative Radio)和实时云计算构架(Real-time Cloud Infrastructure)的绿色无线接入网构架(Clean system)。其本质是通过实现减少基站机房数量,减少能耗,采用协作化、虚拟化技术,实现资源共享和动态调度,提高频谱效率,以达到低成本,高带宽和灵活度的运营。C-RAN的总目标是为解决移动互联网快速发展给运营商所带来的多方面挑战(能耗,建设和运维成本,频谱资源),追求未来可持续的业务和利润增长。这在5G技术发展上,会是比较属于后面的阶段。

  6、新的调制技术:




(来源:电子发烧友网





陆晨 博士


名师主讲金融建模课程——以MATLAB为工具


2016年5月27—29日    上海



数据获取、数据清洗、金融数据爬虫、Matlab 金融工具的使用、主成份分析(PCA)和因子分析、 回测计算,建立一个自己的交易策略、神经网络和机器学习。。。



咨询电话/微信:13061694649


 
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