2019年,5G開始基礎建設,無疑是全球關注的焦點。
2020年,5G將正式開始商用。進一步促進移動互聯網的發展,更重要的是促進移動互聯網和物聯網的整合,進而全面落地大數據、雲計算和人工智能等相關技術。
5G標準的落地,為萬物互聯提供了基礎性的支撐。而萬物互聯必然會帶來萬物智能,為廣大的傳統行業提供更多的發展機遇。א
5G通訊技術科譜
》》》電磁波基礎
要說5G,不懂點電磁波是不行的。
日常生活中,除了原子電子之外,剩下的幾乎全是電磁波,紅外線、紫外線、太陽光、電燈光、wifi信號、手機信號、電腦輻射、核輻射等等。
只要是波,就逃不過三個參數:波速、波長、振幅。
電磁波的速度是恆定的光速,因此不需考慮:波長(或頻率)、振幅(不考慮方向),其中頻率對於電磁波來說,尤為重要。
頻率越高,對應著電磁波的波長越短,能量越高,衰減越快,穿透性越差,散射越少,對人體傷害越大。א
》》》電磁波分類
長的電磁波波長能到1億米,頻率3Hz,1秒鐘三個波。如果用來通信的話,等你一句話說完,就可以過年了。
稍微正常點的電磁波,波長几萬米,用這通信,就一個字:穩!江河大山都擋不住,甚至能穿透幾十米深的海水。(海水導電,是電磁波的剋星)
不過就這點頻率,只能勉強攜帶點信息,發一個hello,大概需要半小時,也就比寫信稍微強點。因為超長波實在是穩,一般用在岸臺向潛艇單向發送命令。
再短點,幾十米波長的電磁波,頻率就到了百萬赫茲MHz級別,能攜帶的信息就很可觀了,一句話至少能說利索了。而且照樣還能跑很遠,幾百公里不在話下,
假如你困在荒島上,有個飛機路過,趕緊用121.5MHz呼救,這是民用緊急通信頻率,還有個軍用緊急通信頻率243MHz,這些都是不加密的公共頻率。
波長再短點,到了1米~1釐米。一方面,雖然衰減已經很明顯了,但一口氣還能跑個百十公里,夠用;另一方面,頻率到了GHz級別,能攜帶足夠多的信息,不但話能說利索了,還有多餘功夫讓你加個密什麼的。所以這個波段是通信的焦點,什麼1G2G3G4G,什麼衛星通信雷達通信,全在這,統稱微波通信。
到了毫米級,電磁波就跑不了多遠了,雖然毫米波不太發散,但很容易被周邊物質吸收或反射,幾乎沒啥穿透性,用來通信很雞肋,不過用在導彈導引雷達或微波爐上棒棒的。
但畢竟頻率超過了30GHz,攜帶的信息量實在太饞人,要不還是試試吧!
繼續往下數,來到微米級。毫無疑問,能攜帶的信息量繼續倍增,但波長0.7微米的電磁波就已經是可見光了。可見光都見過吧,別說穿牆了,一張紙都夠嗆,想接著按照7G8G9G的套路肯定走不通啊。然後,就有了激光通信,發射端和接收端必須瞄得準準的,中間還不能有阻擋。
波長到了0.3微米,也就是300納米,就是我們熟知的紫外線,終於對人體有害了。太陽光裡的紫外線大約佔了4%,如果你一天能曬上半小時太陽的話,那麼前面提到的那些電磁波輻射基本可以無視了。
波長200納米的紫外線,在太陽光中幾乎是沒有的,所以在陽光太強時,紫外線通信就成了激光通信很好的補充,不但隱蔽性更好,還不用對得那麼準,在幾公里的距離上非常好用,是近些年軍事通信的研究熱點。
接下來就和通信無關了,波長到了納米級就成了X光。
最後,波長短到了0.01納米以下,這就是聞之色變的伽馬射線,來自核輻射,全宇宙最強的能量形式之一!若是要毀滅一個星系,伽馬射線是不二之選。א
》》》微波通信
為什麼頻率越高,能攜帶的信息就越多?以數字信號為例,信息就是一串串的1和0,所以先搞清楚怎樣用電磁波表示1和0。
第一種方法叫“調幅”,基本思路是調整電磁波的振幅,振幅大的表示1,振幅小的表示0。收音機的AM就是調幅,缺點頗多。
第二種方法叫“調頻”,基本思路是調整頻率來表示1和0。用密集的波形表示1,疏鬆的波形表示0。收音機的FM就是調頻,優點多多的。
很顯然,在單位時間內,發出的波越多,能表示的1和0就越多,換句話說,頻率越高能攜帶的信息就越多。
這樣算起來,頻率800MHz意味著每秒產生800萬個波,都用來表示1和0的話,1秒鐘可以傳輸100M數據,這速度很快啊!為啥我們感覺不到呢?
古語有云,重要的事情說三遍,通信也是如此。無線電拔山涉水,弄丟幾個1,0太正常了,防止走丟的土辦法就是抱團。比如,用一萬個連續的1表示一個1,哪怕路上走丟了兩千個1,最後咱還能認得這是1。因為特徵太明顯,很容易被破解。
軍用為了防止被破解,要用很複雜的組合來表示1和0,中間說不定還有很多無效信息,各種跳頻技術擴頻技術,還不停變換組合,總之越花哨越好。為了保證傳輸效率,軍用頻率就比民用高很多。就目前來說,頂級破解技術還幹不過頂級加密技術,這裡不包括尚未成熟的量子通信。א
》》》基站天線
振盪電路插個天線就可以產生電磁波,用特定方法改變電磁波的頻率或振幅,變成各種複雜的組合,這個過程叫調製。對應的,豎
把電磁波發到空中,或者把空中的電磁波收下來,都需要天線,別以為現在手機光溜溜的就不需要天線了。手機與手機是無法直接通信的,而是通過周邊的基站與別的手機聯繫。
5G的第一個關鍵技術:大規模多天線陣列。大白話就是,增加天線的數量,不是增加一個兩個,而是幾百個。
多天線加毫米波,對比原先的少天線加釐米波,無線電傳播的物理特徵肯定不一樣,得重新建立信道模型。
天線一多,不但能解決毫米波衰減的問題,傳輸效率、抗干擾等性能也是蹭蹭漲,算是5G必須課。
曾與華為齊名的大唐電信於2015年率先發布了256大規模天線,引爆全球通信業,一時風光無限!可惜後來突然閃崩,淪落到賣科研大樓求生,令人唏噓。א
》》》全雙工技術
基站天線搞定,下面就輪到終端機的天線了,這貨也有術語:全雙工技術
一般手機的通信天線只有一個,收發信號交替進行,費勁的很!全雙工技術,就是把發信號的天線和收信號的天線分開,收發信號同時進行。
大體上分兩個思路,其一,物理方法,比如在倆天線之間加屏蔽材料;其二,信號處理,比如無源模擬對消等。
2016年4月華為宣佈已於成都5G外場率先完成第一階段5G關鍵技術驗證,測試結果完全達到預期。其中兩個重要驗證就是大規模天線技術和全雙工技術。א
》》》從1G至4G的接入技術
從IG到4G手機數據的接入技術,定義了各個發展階段。舉個例子(數字是胡謅的):
假設手機基站用100Hz表示1,105Hz表示0,這時又接進一個新電話,那新電話的1可以用110Hz,0用115Hz,如果再來新電話,依次類推。這就是1G的思路,簡稱FDMA。
1G是模擬蜂窩移動通信,但因為是模擬通信,抗干擾性差,同時簡單的FDMA技術使得頻率複用度和系統容量都不高。
這樣2個電話就用掉了從100Hz到115Hz的頻段,佔用的15Hz就叫帶寬。外行也看出來了,這路子太費帶寬了。好在那會的手機只是傳個語音,數據量不大,但也架不住手機數量的增加,很快就不夠用了!
換個思路,大家都用100Hz表示1,105Hz表示0,但是第1秒給甲用,第2秒給乙用,第3秒給丙用,只要輪換的好,5Hz的帶寬就夠3個手機用,就是延時嚴重點而已。
2G是數字通信,抗干擾能力大幅提高。讓手機不再只有語音、短信等單一功能,還可以更有效率的接入互聯網。
再到後來,數據量越來越大。在各自的信號前面加上序列碼,再揉成一串發送,接收端按序列號只接受自己的信號。就好像快遞員一次性送了一疊信過來,大家按照信封上的名字打開各自的信。這就是3G的思路,簡稱CDMA。
3G網絡能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式,提供包括網頁瀏覽、電話會議、電子商務等多種信息服務。
再發展就是正交頻分多址技術,把2個互不干擾的正交信號揉成一串發送。所謂正交信號,和量子力學的疊加態有點類似。把信號疊在一起發送,就是4G的思路,簡稱OFDMA。
4G智能手機湧現。4G刺激了互聯網應用的繁榮,即時消息、網上購物、網上支付、在線視頻和在線遊戲等等應用層出不窮。
每個終端在網絡上都有一個地址,所以這種讓很多手機一起打電話的技術,從1G到4G,統稱:多址接入技術。א
》》》5G“新多址接入技術”
新多址接入技術:稀疏碼多址接入、非正交多址接入、圖分多址接入……好吧,有點雲裡霧裡了,總體思路就是疊加更多信號或者把前面的技術混到一起。
5G要實現10Gb/秒的峰值速率、1百萬的連接數密度、1毫秒的時延,必須要先解決這三大關鍵技術。
2016年4月,華為的第一階段“關鍵技術驗證”,主要也是驗證這仨技術。
新多址接入採用濾波正交頻分複用、稀疏碼多址接入、極化碼,結合大規模天線,吞吐率提升10倍以上,在100MHz帶寬下,平均吞吐量達到3.6Gb/秒。
全雙工採用了無源模擬對消、有源模擬對消和數字對消三重對消框架,可以實現113dB的自干擾消除能力,獲得了90%以上的吞吐率增益。
2017年6月,華為完成第二階段“多種關鍵技術融合測試及單基站性能測試”。
在200MHz帶寬下,單用戶下行吞吐率超過6Gb/秒,小區峰值超過18Gb/秒,配套業內首個小型化5G測試終端,單個5G基站可同時支持上百路超高清4K視頻。
2018年9月,華為完成第三階段“基於獨立組網的5G核心網關鍵技術與業務流程測試”。
這三個階段測試,華為均以100%通過率順利完成。א
》》》5G芯片組網處理
無數用戶要組成網絡,分配傳輸資源和指揮交通一樣讓人頭大,一條道路分配不合理,半個城市就得跟著癱瘓。所以,華為完成關鍵技術驗證後,又花了2年時間才進行獨立組網測試。
5G要處理的數據量遠大於4G,所謂數據就是1、0,但凡涉及1、0的東西,基本都用芯片。控制電磁波發射要用射頻芯片,編碼解碼要用基帶芯片等等,這些也屬於5G核心關鍵技術。
2019年1月24日,華為發佈了全球首款5G基站核心芯片:天罡,以及,全球首款單芯片多模5G基帶芯片:巴龍5000。既然是世界首款,免不了拿下N個全球第一。
5G的主流頻率是28GHz,有能力處理這個頻段的芯片,目前是4家。
高通是最早的,三星是唯一做到39GHz的,華為是工藝最先進的,英特爾是哪裡都不掉隊的。
華為2018年2月發佈的這款巴龍5G01芯片,因塊頭太大無法用在手機上,2019年1月就推出了手機使用的巴龍5000,同時還沒耽誤手機處理器芯片麒麟
》》》5G國際通用標準
“5G”實際上指的是一個行業標準,即“第五代移動通信技術標準”
5G標準化的組織主要是國際電信聯盟(ITU)和是由“第三代合作伙伴計劃組織”(3rd Generation Partnership Project,簡稱為3GPP)負責制定的。
3GPP是一個標準化機構。目前其成員包括中國、歐洲、日本、韓國和北美的相關行業機構。
ITU:2015年6月,該組織完成5G願景的研究。2017年6月完成IMT-2020(5G)最小技術指標要求的制定,確定14項性能指標的詳細定義、適用場景等,並完成一系列支持IMT-2020候選技術提交及技術評估工作的關鍵文件。
3GPP:它是全球影響最大的通訊標準化機構,主要協調各組織形成通訊領域的標準制定。據悉,3GPP明確5G將包含兩個版本,2018年6月完成Release 15(R 15),2019年9月完成Release 16(R16)。
根據3GPP此前公佈的5G網絡標準制定過程,5G整個網絡標準分幾個階段完成。
R15階段
R16階段,預計在2019年12月,完成滿足ITU(國際電信聯盟)全部要求的完整的5G標準。整個5G標準在ITU會議上全面通過,預計還要到2020年。
5G技術標準由3GPP確定之後,也會經過ITU國際電信聯盟認定。一定程度上,ITU成員代表是其所在國及政府立場,ITU的會議通過,某種程度上相當於“蓋章”認定,代表一項標準的方案被承認為最後的官方結果,也意味著這一國際標準的正式確定。
這次標準發佈一共有50家公司參與,中國有中國電信、中國移動、中國聯通、華為、中興、大唐電信等16家,美國8家,歐洲8家,日本13家,韓國5家。
在信道編碼問題上,歐盟一直用Turbo碼,美帝高通習慣用LDPC碼,華為擅長用Polar碼。於是,第一回合歐萌就被幹掉了,不但積累的Turbo技術打了水漂,還得重新學LDPC和Polar。
信道編碼分“控制信道編碼”和“數據信道編碼”,高通的方案是兩者都用LDPC碼,華為的方案是數據信道用你家的LDPC碼,控制信道用Polar碼。
然後,聯想對華為的方案投了反對票。因為分歧過大,當天只確定數據信道用LDPC碼,至於控制信道擇日再議。
再次投票時,高通、三星、英特爾、愛立信等巨頭蒐羅了31家公司組成陣營,要求全部用LDPC碼,華為則組織了包括聯想在內的55家公司力爭。
最終,華為Polar成為控制信道編碼,高通LDPC成為數據信道編碼,大家平分秋色。א
5G通訊網絡的發展歷程
5G網絡作為第五代移動通信網絡,其峰值理論傳輸速度可達每秒數10Gb,這比4G網絡的傳輸速度快數百倍,整部超高畫質電影可在1秒之內下載完成。
研究和試驗表明,在28GHz的超高頻段,以每秒1Gb以上的速度,成功實現了傳送距離在2Km範圍內的數據傳輸。
此前,世界上沒有一個企業或機構開發出在6GHz以上的超高頻段實現每秒Gb級以上的數據傳輸技術,這是因為難以解決超高頻波長段帶來的數據損失大,傳送距離短等難題。
三星電子利用64個天線單元的自適應陣列傳輸技術,使超高頻段數據傳輸技術的成功。不僅保證了更高的數據傳輸速度,也有效解決了移動通信波段資源幾近枯竭的問題。
2014年5月13日,三星電子宣佈,其已率先開發出了首個基於5G核心技術的移動傳輸網絡,並表示將在2020年之前進行5G網絡的商業推廣。
2016年8月4日,諾基亞與電信傳媒公司貝爾在加拿大完成了5G信號的測試。在測試中諾基亞使用了73GHz範圍內的頻譜,數據傳輸速度也達到了現有4G網絡的6倍。
2017年8月22日德國電信聯合華為在商用網絡中成功部署基於最新3GPP標準的5G新空口連接,該5G新空口承載在Sub 6GHz(3.7GHz),可支持移動性、廣覆蓋以及室內覆蓋等場景,速率直達Gbps級,時延低至毫秒級;同時採用5G新空口與4G LTE非獨立組網架構,實現無處不在、實時在線的用戶體驗。
2017年12月21日,在國際電信標準組織3GPP RAN第78次全體會議上,5G NR首發版本正式發佈,這是全球第一個可商用部署的5G標準。
2018年6月14日,3GPP全會(TSG#80)批准了第五代移動通信技術標準。(5G NR)獨立組網功能凍結。加之2017年12月完成的非獨立組網NR標準,
此次SA功能凍結,不僅使5G NR具備了獨立部署的能力,也帶來全新的端到端新架構,賦能企業級客戶和垂直行業的智慧化發展,為運營商和產業合作伙伴帶來新的商業模式,開啟一個全連接的新時代。
2018年7月6日,愛立信攜手英特爾以及早期5G服務供應商,完成了3.5GHz頻段端到端的非獨立組網標準(NSA)5G數據呼叫。
2018年9月12日,愛立信表示,已與美國移動運營商T-Mobile US簽署價值35億美元、為期多年的供貨協議,以支持T-Mobile US的5G網絡部署,這是愛立信獲得的最大5G訂單。
2018年10月19日,愛立信攜手Qualcomm將28 GHz加入5G商用頻段。
2018年12月7日,工業和信息化部許可中國電信、中國移動、中國聯通自通知日至2020年6月30日在全國開展第五代移動通信系統試驗。
中國電信獲得3400MHz-3500MHz共100MHz帶寬的5G試驗頻率資源;
中國聯通獲得3500MHz~3600MHz共100MHz帶寬的5G試驗頻率資源;
中國移動獲得2515MHz~2675MHz、4800MHz~4900MHz頻段的5G試驗頻率資源。
2019年3月31日前,中國聯通方面將在全國範圍內逐步停止使2555MHz~2575MHz頻率,中國電信方面將逐步停止使用2635MHz~2655MHz頻率。 א
5G的應用場景和意義
國際電信聯盟召開的ITU-RWP5D第22次會議,確定了5G的三個應用場景:
5G的好處體現在它有三大應用場景:增強型移動寬帶、超可靠低時延、海量機器類通信。
也就是說5G可以給用戶帶來更高的帶寬速率、更低更可靠的時延和更大容量的網絡連接。
這圖解釋一下:三個角上的三句話是5G的三大功能特點,藍色小塊是應用場景,小塊越靠近哪個角就說明對這個功能的依賴越大。後來,這三個角又改成了四個:連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接、低時延高可靠。
5G網絡的主要目標是讓終端用戶始終處於聯網狀態。5G網絡將來支持的設備遠遠不止是智能手機——它還要支持智能手錶、健身腕帶、智能家庭設備如鳥巢式室內恆溫器等。
5G網絡中看到的最大改進之處是它能夠靈活地支持各種不同的設備。除了支持手機和平板電腦外,5G網絡將還需要支持可佩戴式設備,例如健身跟蹤器和智能手錶、智能家庭設備如鳥巢式室內恆溫器等。
在一個給定的區域內支持無數臺設備,這就是科學家的設計目標。
5G網絡已成功在28千兆赫(GHz)波段下達到了1Gbps,相比之下,當前的第四代長期演進(4G LTE)服務的傳輸速率僅為75Mbps。
5G網絡意味著超快的數據傳輸速度。 未來5G網絡的傳輸速率可達10Gbps,這意味著手機用戶在不到一秒時間內即可完成一部高清電影的下載。
就技術而言,5G就三句話:網速快、信號廣、延時少。但技術帶來的改變卻超越了想象力,5G是全信息化的基石,完全可以實現當年物聯網吹過的牛:萬物互聯。א
5G的商用預期
工信部此前發佈的《信息通信行業發展規劃(2016-2020年)》明確提出,2020年啟動5G商用服務。
根據工信部等部門提出的5G推進工作部署以及三大運營商的5G商用計劃,我國將於2017年展開5G網絡第二階段測試,2018年進行大規模試驗組網,並在此基礎上於2019年啟動5G網絡建設,最快2020年正式推出商用服務。
2018年9月5日,中國聯通發佈“5G+視頻”推進計劃,將在5G產業鏈上開拓更多場景應用。中國三大運營商已經披露了在全國幾十個城市進行的試點工作計劃。
到2020年,5G將為用戶提供光纖般的接入速率,“零”時延使用體驗,千億設備的連接能力、超高流量密度、超高連接數密度和超高移動性等多場景的一致服務,實現
鳴謝:轉載自“阿萊夫品牌家”,作者Aleph