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5g时代 ,你期待么?

【PConline 杂谈】最近高通将发布5G技术的芯片,5G配套设备、技术也逐渐进入商用阶段。不知道有多少小伙伴在期待5G技术的到来,当然其中也包括我,甚至很多人愿意为了5G网络延迟更换自己手机。在这5G全面商业化的前夜,5G承载了太多人期望。如果你也是这里面的一员,那可能这一篇文章要让你失望了,其实5G技术的出现主要的服务对象并不是手机,而是为了更好的服务智能物联和VR等设备,对于工业、农业方面的提升也很巨大,就是大家看好的手机提升并不明显。

首先我们要知道,虽然前面我们从1G-4G我们的应用场景都是手机,而且针对的也是手机应用,但是5G却是不一样的存在。5G技术解释为第五代移动通信技术,作为4G技术的向后延伸,这个新一代通信技术将会逐渐应用到各个领域和场景。5G技术将会构建起一个新的以用户为中心的信息生态系统,比起目前4G技术,这个信息生态系统将会更全面,而且也会更深入渗透到个人生活的方方面面。
首先来了解一下5G和其他G:5G提升巨大
我们来回顾一下移动通信发展历程,每一代的移动通信系统都有一个非常具有标识性的指标对各代进行区分,而核心关键技术对其进行定义。再前面的BB机的时代我们就不详细去了解了,我们就从我们能够实现无线语音通话开始。

在1G通信时代(主要技术特征:频分多址FDMA),只能提供模拟语音业务,也就是只能打电话。2G/2.5G通信时代(主要技术特征:时分多址TDMA),能够提供较好的数字语音和低速率数据服务,也就是我们可以实现手机打电话/发短信(2.5G才实现低速率上网,也是就是差不多我们当年的每个月30M/5元的时代)。而到了3G通信时代(主要技术特征:码分多址CDMA)也是我们真正进入互联智能机的时代,网络可以实现一般带宽(理论带宽:2Mbps~10Mbps)上网服务,08年12月31日我国宣布启动3G牌照发放,3G智能手机开始出现在大家的手中。4G通信时代(主要技术特征:正交频分多址OFDMA)也正是我们现在正所处在的时代,从3G到4G,可能大家感受没有前几代通信技术的跨越的差别那么大,也许是因为4G的出现仅仅是将无线通信的带宽提升的原因(理论峰值:100Mbps~1Gbps)。

那5G呢?在很多人的印象中,可能5G就是网速更快、延迟更低。的确5G比其4G有更高的性能,有更大的带宽和更低的延迟,但这仅仅是5G特性中很小的一部分。5G网络支持0.1~10Gbps的用户体验速率和比4G低得多的时延,5G理论端到端时延为1ms,是4G的几十分之一。除此之外,5G还拥有100万/Km²的连接密度、10Tbps/Km²的流量密度、500Km/小时以上的移动性和数10Gbps的峰值速率的优势。同时因为5G的频谱的效率大幅度提升,相比4G提升5~15倍,整个无线通信网络的运营效率和能效比得到大幅度提升。
5G应用场景大改变:智联、VR等才是主角
了解了5G与4G的区别,可能只是觉得5G仅仅只是无线通信的又一次提升,就像3G到4G的变化一样,但正所谓量变引起质变。用户体验速率提升、连接数密度提升和更低的时延为5G与4G区别最基本的三个性能指标,而这一次的提升让无线通信不再局限于手机通讯和网络连接,手机成为5G应用场景中很小的一部分。

根据国际电信联盟 ITU-RWP5D 第 22 次会议给出的定义,未来5G主要服务于三大场景:1)增强型移动宽带eMBB,下载速率理论值将达到每秒10GB,是当前4G理论传输速度的10倍;2)超高可靠与低时延的通信uRLLC,5G的理论延时是1毫秒,是4G延时的几十分之一,基本达到准实时水平;3)大规模机器类通信mMTC,5G单通信小区可以连接的物联网终端数量理论值将达到百万级别,是4G的十倍以上。具体包括:Gbps级别移动宽带数据接入、智慧家庭、智能建筑、语音通话、智慧城市、三维立体视频、超高清晰度视频、云工作、云娱乐、增强现实、行业自动化、紧急任务应用、自动驾驶汽车等。
1)增强型移动宽带eMBB
主要面向局部热点区域,为用户提供极高的数据传输速率,满足网络极高的流量密度需求。1~10Gbps用户体验速率、数10Gbps峰值速率和数10Tbps/Km²的流量密度需求是该场景面临的主要挑战。简单来说就是办公、日常使用,相当于一个高速无线宽带使用。包括赛事转播、VR增强现实、三维立体视频等等,一些以往我们无法通过移动通信解决的事可以通过5G的方式进行解决。
2)超高可靠与低时延的通信uRLLC
主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求,这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求,需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。未来辅助驾驶甚至自动驾驶会需求这样的连接,包括现在国内外正在实现的自动驾驶技术,都需要有一个可靠低时延的网络支撑。同时以医疗为例,5G出现让VR远程医疗成为可能,这也是5G的一个重要应用,可以成为医疗资源分布不均的一个重要解决途经。
3)大规模机器类通信mMTC
主要面向工农业环境5G网络将实现大规模物联网,人与设备、设备与设备之间将更高效地相互连接和作用。例如未来的农场会采用精准灌溉的理念,对作物的每一阶段的生长过程及所处环境现状实现数据化、网络化、智能化监控,并实时反馈数据给农场主。通过数据的计算与分析,成千上万棵植物实现个性化的灌溉方式,获得最优的生长环境。
而随后的IMT-2020(5G)会议从移动互联网和物联网的角度对大规模机器类通信mMTC进行了细分,融合5G增强型宽带的稳定和低延时的特征之后,分为了:连需广域覆盖场景和低功耗大连接场景。
(1)连续广域覆盖场景
是移动通信最基本的覆盖方式,以保证用户的移动性和业务连续性为目标,为用户提供无缝的高速业务体验。该场景的主要挑战在于随时随地(包括小区边缘、高速移动等恶劣环境)为用户提供100Mbps以上的用户体验速率。这是和我们目前使用环境最相关的使用场景,在这个场景下我们使用的是手机、PC等移动互联网设备。
(2)低功耗大连接场景
主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景,具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多,不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力,满足100万/Km²连接数密度指标要求,而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。
所以从国际电联的对于5G定下的基本方向来看,手机等移动端设备在5G时代中仅仅占据的是很小的一部分。5G主要面向的使用场景是未来的增强现实VR、万物智能物联方面,实现智慧家庭/城市、工业/农业智慧化和自动化、VR增强现实应用、自动驾驶等等。
5G商用目前存在的问题
高频信号难走进室内
曾有人说“5G未来将取代WiFi”,其实这事实现起来还是挺麻烦的。因为5G一个重要的实现场景是增强型移动宽带eMBB,这是大家传5G未来取代WiFi的根据来源。的确5G信号是全频谱的信号,但为了实现增强型移动宽带eMBB,那么需要的就是高频段的信号进行传输数据。

无线电技术的原理在于,导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象,通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端,电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。 通过解调将信息从电流变化中提取出来,就达到了信息传递的目的。频率越高波长越短,饶射(衍射效果)能力越弱,但穿透能力(不变方向)越强,信号穿透会损失很大能量,所以传输距离就可能越近,频率越高在传播过程的损耗越大。翻译成大白话就是,高频信号可以获得大带宽,但是因为指向性太强,所以区域覆盖能力很差,这也是低频段信号一直是各大运营商争取的优质频段的原因。
高频信号覆盖差、多基站带来的成本上升和信号干扰
高频覆盖差那怎么能达到好的信号覆盖呢?解决办法就是多建基站。关于5G资费问题,升是不能升的,但是5G建设投资确实大,怎么解决这个矛盾呢?在5G覆盖初期,网络部署会主要利用现有4G基站资源,为的是实现从4G到5G非常平滑演进过程。但这仅仅只是在初期,基站总是要更新的,而且高频信号覆盖问题总是需要解决的。

这时候Massive MIMO(大规模分布式天线)被提出来了。Massive MIMO(大规模分布式天线)可大幅提升频谱效率、容量以及覆盖范围。然而,这并不意味着Massive MIMO就是完美的,主要是体现在天线会更大更重,铁塔可能无法承受负荷,不仅如此,还需进行功率升级和回传升级,可适用于一些站点,但却无法为所有的站点部署Massive MIMO,因为这非常不经济。运营商多鸡贼啊,所以在一般低频段覆盖层会采用4T4R,中频段容量层采用8T8R或64T64R,毫米波高频段采用128*128或更高阶的Massive MIMO。

所以真的需要高速网络还需要小基站的高频信号进行全面覆盖,也就是建更多的基站,真正实现高速无线网络全面覆盖。运营商在考虑5G全覆盖时,通常会用低频段做覆盖层,中频段做容量层,毫米波高频段做高容量层(热点)。好嘛基站建多了,问题又来了,那就是基站之间的信号干扰问题。好在国内也就三大运营商,频谱资源分一分大家都很富裕的频谱资源。以中国移动为例,中国移动采用的就是大小基站异频运作的方式来降低干扰问题,因为频率不同的关系,这种方式能很大程度上避免大小基站相互干扰,不过不代表干扰就一点都不存在了。
PConline 总结

通过5G网络我们可以实现低成本的万物智联、自动驾驶的高速稳定智能通信、VR娱乐和远程医疗、工业自动智能化等等。而手机5G仅仅只是5G技术使用中太小太小的一部分了,甚至手机从4G到5G提升并没有3G到4G的那么大。无论从5G技术最初定下的目标还是未来实现的应用场景来看,即使有了更快的网速也不是为了手机而服务,想着等着5G再换手机的小伙伴可以考虑可以不用等了。
如果说3G时代开启了移动端流量的大门,那4G就是开启了移动视听时代,各大视频网站基本都是在2016-2017年首次实现移动端流量超过PC端。而与以往3G、4G技术升级主要为手机等移动设备服务的目的不同,5G技术的升级让消费级的无线通信产生了质的变化。5G的技术本质并不是让我们可以获得更快的网络,而是通过低时延、高稳定性等一系列的性能提升让我们得到以往3G、4G所不具备的能力,这种能力可以实现很多应用,这也是一种典型的量变引起质变。5G更多的是为工业、农业、医疗、云计算、自动驾驶等实现万物智慧互联而出现,与其期待提升不大的5G手机,还不如多期待一下未来在信息“零”时延体验、千亿设备智能互联之下能获得低成本高质量的服务和产品