4G刚刚普及，5G已经来了，你准备好了吗？文 | 传感器技术（WW_CGQJS）"

文 | 传感器技术（WW_CGQJS）

上周，当所有人都沉浸在iPhone 8 的消息中时，一条德国电信发布的消息，席卷并震惊了整个欧洲——中国华为，正式推出5G网络！

据报道，德国电信已经正式宣布联合华为公司推出全球首个5G商用网络。这是全球第一个推出完整5G网络技术的政府和企业。

通信世界的演化很快，几乎10年就是一个时代，从上世纪90年代的2G，到2010年左右兴起的4G。这个行业云集了世界上最聪明的一群人，钻研着最顶尖的技术，为社会带来无尽的便利和福祉。近代人类社会的演进伴随的就是通信技术的演进，从最开始的电报，电话，到近代的移动通信技术，正是沟通便捷让加快了历史的进程。

什么是5G网络？

第五代移动通信技术（5G），是4G之后的延伸。下一代移动通信网络（NGMN）联盟对5G的定义如下：“5G是一个端对端的生态系统，可带来一个全面移动和联网的设备。通过由可持续商业模式开启的、具备连贯体验的现有和新型的用例，它增强了面向消费者合作者的价值创造。”

如果用标志性能力和关键技术来定义每一代移动通信网络，5G网络关键能力极为丰富：用户能体验到0.1-1Gbps的下行速率，毫秒级的端到端时延，每小时500公里以上的高速移动特性，容纳海量设备入网。下面通过与4G对比、5G之花，看看5G到底能给我们带来什么新的体验突破。

从对比数据来看，理论峰值速度往往设定得比较高，当网络大规模商用后，由于高连接数密度导致基站出现饱和现象，实测速率急剧下降，通常只有峰值速度1/3。另一方面从5G白皮书给出的5G之花可以了解，对比4G网络，5G网络在用户体验速率和流量密度上有了质的飞跃。即便是按照1/3的关系换算，5G的日常体验速率也能发挥到350Mbps。当然不排除5G后续演进会给予我们更多惊喜。

5G网络的主要特征

5G网络主要有三大特点：极高的速率，极大的容量，极低的时延。

高速率

5G可以说是站在巨人的肩膀上，依托4G良好的技术架构，5G可以比较方便的在其基础之上构建新的技术。未来的5G愿景最强烈的一个方面就是用户体验到的网络速率。4G现在已经很快了，但是还不够，5G要做到的目标是最大10Gbps。

10Gbps是如何做到的呢？现在的移动网络工作在相对较低的频段，低频段的好处的是传播性能优越，可以使运营商用较少的成本（少量基站）达到很好的覆盖。但是有一点不足就是低频段的连续频率资源非常宝贵，在国外各大运营商会通过竞标的方式购买频段的使用权，而在我们国家是政府分配。在4G LTE中单个载波最大的频率范围是20MHz，通过载波聚合技术可以将多个非连续的载波合起来使用达到更高的速率，但是这样还依然不够。5G的一个特点就是高频，受限于高频的传播性能，所以很多的高频段频率资源没有被使用，这正是5G可以好好利用的资源。

但是如何解决高频通信的传播问题呢？这就轮到大规模天线（massive MIMO）登场的时候了，高频资源的频率很高，波长就很短（毫米波），那么在天线设计的时候可以做到天线阵子和他们之间的距离很小，就可以在很小的范围内集成天线阵列。天线阵子数量的增加可以带来额外的增益，结合波束赋形，波束追踪技术以弥补高频通信在传播上的受限。

大容量

物联网这个话题最近几年来一直占据着热门，但是受限于终端的功耗以及无线网络的覆盖，广域物联网仍处于萌芽的状态，伴随着5G网络的出现，可以预见未来它必将大热。5G将会通过什么技术手段来支持物联网技术的发展呢？

首先看看它将如何解决物联网技术的核心问题：功耗问题是困扰着物联网技术发展的最大障碍，因为物联网的节点太多，而且由于很多条件的限制，终端没有办法充电，只有通过初次装入电池，寄希望于终端自身能够节省电能，使用越久越好。

为了解决这个问题3GPP专门推出了针对广域物联网的窄带物联网技术，通过限定终端的速率（物联网终端对通信的实时性一般不高），降低使用带宽，降低终端发射功率，降低天线复杂度（SISO），优化物理层技术（HARQ，降低盲编码尝试），半双工使终端的耗电量降低。

而5G还会在这个基础上走得更远，通过降低信令开销使终端更加省电，使用非正交多址技术以支持更多的终端接入。

低时延高可靠

LTE网络的出现使移动网络的时延迈进了100ms的关口，使对实时性要求比较高的应用如游戏，视频，数据电话成为可能。而5G网络的出现，将会使时延降到更低，会为更多对时延要求极致的应用提供生长的土囊。

降低时延的技术原理：LTE中的一个TTI是1ms，而5G将通过对帧结构的优化设计，将每个子帧在时域上进行缩短从而在物理层上进行时延的优化。相信在后期5G信令的设计上也会采用以降低时延为目标的信令结构优化。

5G的关键无线技术

3.5GHz频段

应用高带宽的核心方法就是采用更高的频段，同时从已经分配好的频谱资源来看，2.5GHz以下的频谱资源已经几乎被利用完。

因此目前最被看好的5G频段是3.5GHz，也是国际上的热点频段。欧洲、美国、日本也都在进行3.5GHz频段的技术试验，目前中国移动对3.5GHz这个频段进行多种测试验证可行性。

毫米波

高带宽必须依托着高频段，那么5G就很可能会使用超高频段。根据物理公式c=λf，30GHz以上的频段，其波长缩短至毫米级别，称为毫米波。能提供Gbps级别传输速率，完全满足5G的指标需求。

微基站

日常生活中，如果我们进入一些大厦阴暗角落或者是密集多层结构的建筑里面，我们的手机往往没有4G信号，只剩下2G网络。这是因为对于电磁波频率越高，绕射能力越弱，2G频段在0.9GHz，4G频段都在1.7GHz以上，而5G使用的频率会更高，绕射能力直线下降，信号只能直射而且传播距离十分有限，将传统上使用的大型宏基站改用站点更多、密度更大的微基站，是解决毫米波直线传播、传播距离有限的终极方案。

大规模阵列天线

电磁波波长缩短到毫米波，也对天线尺寸造成影响。据天线设计理论：线尺寸为波长的1/10~1/4之间，其天线增益和辐射效率达到最大。使用毫米波后，天线尺寸也变为毫米级，可以在以前相同面积设备内布置更多的天线。通信基站可以采用大规模阵列天线，极大地提升了频率效率、用户体验、传输可靠性。

高阶MIMO

引入阵列天线后，又给高阶MIMO技术的实现带来了新的可能。应用MIMO技术可以进行一对多的并行通信，每一对天线都独立传送一路信息，这样就可以成倍提高速率，同时同频地提供服务从而大幅提升系统容量以及系统覆盖范围。

波束赋形

利用通信基站的阵列天线，通过对射频信号相位的进行控制，使得干涉以后的电磁波的波瓣变得非常狭窄，由灯泡模式变成有指向性的手电筒模式，并指向它所提供服务的手机，还能跟据手机的移动而转变方向。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。

多载波聚合

将十分零散的载波信号通过转换组合成一个具有宽频带的新载波进行数据传输，配合上MIMO和波束赋形技术使用，有效提高频谱效率和传输速率。在未来的5G中，聚合波段远远不止三个，速率前所未有。

非正交多址技术

多址接入技术是指移动通信系统中，使所有的用户共享有限的无线资源，并实现不同用户不同地点同时通信并尽可能减少干扰的目的。为了进一步提升5G的频谱效率和传输容量，提出了全新的非正交多址技术。其可以理解为OFDM的基础上增加了一个功率域维度。新增功率域可以让系统利用每个用户不同的路径损耗来实现多用户复用，提高系统容量和鲁棒性。