提到5G,最经典最直观的说辞便是:用户可以在短短几秒的时间内下载一部高清电影,而现在的4G LTE网络需要十几甚至几十分钟。之所以拿视频的下载速度来描述,是因为下载或在线观看高清电影是目前最贴近我们生活的,也最容易感受到网速变化的一种方式。而5G的作用远不仅如此,随着传输速率的增加,其他新兴的应用也会随之产生,比如物联网、虚拟现实、自动驾驶汽车等。

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5G有三大典型场景,这三大场景描述了5G的需求也反应了5G与4G的不同,正如上图所示,三大场景分别为:增强型移动宽带通信(eMBB),大规模机器型通信(eMTC)和超高可靠性超低延时通信(uRLLC)。

eMBB提供了更高的传输速率和用户体验,5G中下行峰值传输速率将达到20Gb/s,而4G的下行峰值速率只有1Gb/s,超高的速率会让虚拟现实、增强现实等成为可能;eMRT将实现万物互联,智能家居、智能电网等;uRLLC可将通信延时降低到毫秒以下,实现触觉互联,而4G中的延时在70毫秒左右,5G的超低通信延时和高可靠性传输可实现汽车自动驾驶等。

5G正得到学术界和工业界的广泛关注,并且已经进入了标准制定阶段(PS:5G白皮书White paper也是教科书一般的教材),如果一切进展顺利,2020年将实现首个5G商业网络。不过5G到底会是什么样子,实现哪些突破还尚未完全确定。但是目前可以确定的是:5G相对比4G要实现网络吞吐量的千倍增长!为了实现这个目标,很多新的技术应运而生。

所以,提升网络吞吐量可以主要从三方面着手实现,即提升通信带宽,提高小区密度以及提高频谱效率。相应地,可以通过如下技术实现:毫米波通信、Small cell以及大规模MIMO技术。

1.提升通信带宽-代表技术毫米波

当前无线通信使用的大多是6 GHz以下频段,然而随着用户数和智能设备数量的增加,有限的频谱带宽需要服务更多的终端,导致每个终端的服务质量严重下降。为了解决频谱资源有限的问题,一个可行的方法便是开发新的通信频段,拓展通信带宽。正因如此,目前有很多运营商或者设备供应商在开展毫米波频段通信的测试。

毫米波频段是指30-300 GHz的频段(如上图所示),相对比原来的6 GHz以下频段,是个非常丰富的频段资源,在这个频段上无线电波的波长在1-10 mm之间。由于毫米波波长较短,在实际通信中传输损耗特别严重,空气中的水蒸气等都会导致其产生严重的衰落,并且以直射波的形式传输,是一种典型的视距传输方式,穿透能力极差,墙体、树叶等都会导致信号的阻断,所以目前毫米波多用在基站与基站之间、雷达、卫星等的传输上(基站架设在高出,彼此之间通常没有建筑物的阻挡)。

因毫米波频段具有高衰落特性,所以可以与大规模MIMO技术结合,来加强信号强度,或与small cell技术结合,来加强信号传播的距离。

2.提高小区密度-代表技术Small cell异构网络

5G的实现必然是要在基础设施的建设上发生一些改变,既要兼容以往的系统也要提供更强的服务。Small cell的部署是提高频谱利用率、加强用户服务质量的关键技术之一。

Small cell不同与传统的宏基站,它只需要较低的发射功率,可以较容易地部署在路灯等其他设施上,服务小范围内的用户,如上图所示。由于Small cell的服务范围较小,所以不同的Small cell之间、以及Small cell与宏蜂窝之间便可以复用相同的频谱资源,与传统的宏蜂窝形成一种异构结构,极大地提升系统频谱利用率。此外,Small cell可以起到中继的效果,加强信号强度和覆盖范围,同时也能增加系统服务的终端个数。

3.提高频谱效率-代表技术大规模MIMO、波束成形

大规模MIMO是5G关键技术中非常有潜力的一个,相比4G系统中采用8根(或更少)发送天线,大规模MIMO将在同一个天线阵列上部署上百根天线,将天线阵列增益提升到一个新高度!大规模MIMO尚未在实际中部署和应用,目前都是在实验室或者一些特定环境下进行测试,但通过已有的测试结果可以看到:大规模MIMO只需要采用简单的线性预编码处理(如MRT、ZF)便可以提供极高的下行传输速率。

波束成形/预编码技术是与多天线系统密不可分的。波束成形技术可以使发送的信号具有一定的指向性,避免对周围用户的干扰,同时提升指定用户的接收信号功率。随着大规模MIMO系统天线数目的增加,系统可以服务更多的终端用户,如何避免信号发送过程中产生的用户干扰是重要问题。波束成形技术是大规模MIMO系统中不可或缺的一部分。

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