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5G手機速度快,主要技術原因是什么?


時間:2019-07-26

應用領域:手機通訊


   都說5G手機比4G上網速度快。目前4G的峰值下載速率為1Gbps,下載一部高清電影可能要花一小時時間。而5G的峰值速率有望達到10Gbps,下載同樣一部電影可能只要花幾分鐘時間。
   最近小編看到有人說,這只不過是炒作罷了。那么小編就想為5G鳴不平。本文就想簡單地歸納下,5G當中采用了哪些關鍵技術,能帶來速度的大幅提升。
頻譜擴展
   5G網絡和4G大不同。首先從頻譜來看,1G到4G無線通信采用的 300MHz~3GHz 頻譜具有穿透性、覆蓋范圍廣等優點,但存在一個非常致命的缺點:頻帶寬度過于狹窄,位于頻段內的無線設備數量眾多,頻譜分配即將枯竭。
全球5G先發頻段則是C波段(頻譜范圍為3.3GHz-4.2GHz、4.4GHz-5.0GHz)和毫米波頻段26GHz/28GHz/39GHz。此外,5G采用了寬頻方式定義頻段,形成了少數幾個全球統一頻段,大大降低了手機支持全球漫游的復雜度。5G的最大帶寬由20MHz增加到在C波段上最大支持100MHz,在毫米波上最大支持400MHz。
新波形
   5G采用基于OFDM化的波形和多址接入技術。OFDM技術被當今的4G LTE和Wi-Fi系統廣泛采用。因其可擴展至大帶寬應用,可具有高頻譜效率和較低的數據復雜性,因此能夠很好地滿足5G要求。OFDM 技術家族可實現多種增強功能,例如通過加窗或濾波增強頻率本地化、在不同用戶與服務間提高多路傳輸效率,以及創建單載波OFDM波形,實現高能效上行鏈路傳輸。
   通過OFDM子載波之間的15kHz間隔(固定的OFDM參數配置),LTE最高可支持20 MHz的載波帶寬。為了支持更豐富的頻譜類型/頻帶(如毫米波、非授權頻段)和部署方式。5G NR將引入可擴展的OFDM間隔參數配置。這樣,5G NR就在統一的框架下提高多路傳輸效率。另外,5G NR也能跨參數實現載波聚合,比如聚合毫米波和6GHz以下頻段的載波。
   5G新空口在上行與下行方向上均采取具有可擴展特性(在子載波間隔及循環前綴方面)的循環前綴正交頻分復用(CP-OFDM)技術,這樣,上行與下行就有著相同的波形,從而就可簡化5G新空口的整體設計,尤其是無線回程以及設備間直接通信(D2D)的設計。縮減 OFDM 信號的 CP 前綴,壓縮 OFDM 長度,可降低傳輸延遲。此外,Filter-OFDM技術可降低頻譜邊緣保護帶的開銷,相比4G,在同樣的標稱帶寬下,傳輸帶寬有了明顯的提升。
高階調制
   現有4G LTE具有QPSK、16QAM、64QAM、256QAM可采取這四種調制方式,5G新空口也將支持。目前,5G新空口標準中新增1024QAM。
   在手機側,目前4G采用的調制方式是64QAM。而5G可以采用256QAM,這樣一個碼元就可以傳輸8比特數據。
Massive MIMO
   多天線技術經歷了從無源到有源,從2D到3D,從高階MIMO到大規模陣列的發展,有望實現頻譜效率提升數十倍甚至更高。
   由于引入了有源天線陣列,5G基站側可支持的協作天線數量將達到128根。此外,原來的2D天線陣列拓展成為3D天線陣列,形成新穎的3D-MIMO技術,支持多用戶波束智能成形,減少用戶間干擾,結合高頻段毫米波技術,將進一步改善無線信號覆蓋性能。
   多天線的使用帶來了空間復用增益,可以大幅度提升容量。但對于特定終端(如手機),能支持的復用層數受限于接收天線的數目。
   現在大家所使用的手機標配的接收天線數目為兩個,因此能支持最大復用層數為兩層。未來使用4收天線的終端將成為主流。5G NR將標配的接收天線數目提升了一倍。相比2收、4收終端可以大幅提升下行速率。
波束成形
   Massive MIMO由于每個天線陣列集成了更多的天線,因此其主要挑戰是減少干擾。如果能有效地控制這些天線,讓它發出的每個電磁波的空間互相抵消或者增強,就可以形成很窄的波束,而不是全向發射。這樣就能將有限的能量都集中在特定方向上進行傳輸,不僅可使傳輸距離更遠,而且還能避免信號的干擾,這種將無線信號(電磁波)按特定方向傳播的技術就叫做波束成形(beamforming)。
   這一技術的優勢不僅如此,它可以提升頻譜利用率,通過這一技術便可同時從多個天線發送更多信息。因此,波束成形可以解決毫米波信號被障礙物阻擋以及遠距離衰減的問題。
全雙工
   最近幾年,同時同頻全雙工技術吸引了業界的注意力。5G網絡采用該技術,在相同的頻譜上,通信的收發雙方同時發射和接收信號,與傳統的TDD和FDD雙工方式相比,從理論上可使空口頻譜效率提高1倍。全雙工技術能夠突破FDD和TDD方式的頻譜資源使用限制,使得頻譜資源的使用更加靈活。
終端直通
   傳統的蜂窩通信系統的組網方式是以基站為中心實現小區覆蓋,而基站及中繼站無法移動,其網絡結構在靈活度上有一定的限制。隨著無線多媒體業務不斷增多,傳統的以基站為中心的業務提供方式已無法滿足海量用戶在不同環境下的業務需求。
   終端直通(D2D)技術無需借助基站的幫助就能夠實現通信終端之間的直接通信,拓展網絡連接和接入方式。由于短距離直接通信,信道質量高,D2D能夠實現較高的數據速率、較低的時延和較低的功耗;通過廣泛分布的終端,能夠改善覆蓋,實現頻譜資源的高效利用;支持更靈活的網絡架構和連接方法,提升鏈路靈活性和網絡可靠性。
   目前,D2D采用廣播、組播和單播技術方案,未來將發展其增強技術,包括基于D2D的中繼技術、多天線技術和聯合編碼技術等。
高級信道編碼設計
   目前LTE網絡的編碼還不足以應對未來的數據傳輸需求,因此迫切需要一種更高效的信道編碼設計,以提高數據傳輸速率,并利用更大的編碼信息塊契合移動寬帶流量配置,同時,還要繼續提高現有信道編碼技術(如LTE Turbo)的性能極限。
   與前代通信技術數據信道所用turbo碼、控制信道用TBCC等編碼方式相比,5G NR采用了全新的信道編碼方式,即數據信道用LDPC編碼,控制信道和廣播信道用Polar編碼。這一改進可以提高NR信道編碼效率,能以低復雜度和低時延,擴展達到更高的傳輸速率。
總結
   由于篇幅有限,本文僅針對5G手機列舉了幾項關鍵技術。同時,要實現5G手機的快速通信,也少不了基礎設施側的超密集網絡和小基站等技術的支持。此外,對于萬物互聯,網絡功能虛擬化/網絡切片、無線軟件定義網絡等技術也都是5G研究的熱點。

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