5G 不仅仅只是网速更快, 更多的是生活方式的颠覆, 对各行各业都会起到催化作用. 5G 里不仅仅只有大带宽, 而是会有很多与 B 端用户 (企业) 相结合的点. 接下来, 跟阿里大文娱的梓烁一起了解 5G 的关键技术.
1. 5G 的关键技术
5G 的核心技术点挺多, 包含了很多技术集. 稍微了解过 5G 的同学应该知道 5G 其实已经定义了三大场景:
eMBB: 增强移动宽带, 顾名思义是针对的是大流量移动宽带业务;
URLLC: 超高可靠超低时延通信(3G 响应为 500ms,4G 为 50ms,5G 要求 1ms), 这些在自动驾驶, 远程医疗等方面会有所使用;
mMTC: 大连接物联网, 针对大规模物联网业务.
1.1 eMBB
4G 已经那么快了, 那么 5G 里面是怎么样继续提升容量的呢?
容量 = 带宽 * 频谱效率 * 小区数量
根据这个公式, 要提升容量无非三种办法: 提升频谱带宽, 提高频谱效率和增加小区数量. 增加小区数量意味着建设更多基站, 成本太高.
至于频谱带宽, 中低频段的资源非常稀缺, 因此 5G 将视野拓展到了毫米波领域, 后面会介绍, 毫米波频段高, 资源丰富, 成为重点开发频谱区域; 除了扩展更多频谱资源之外, 还有一种有效的方式就是更好的利用现有的频谱, 认知无线电经过多年的发展也取得了一些进展, 可以利用认知无线电来提高广电白频谱的利用率.
白频谱就是指在特定时间, 特定区域, 在不对更高级别的服务产生干扰的基础上, 可被无线通信设备或系统使用的频谱. 所谓广电白频谱就是指在广播电视频段的白频谱. 因为广播电视信号所在频段是非常优质的频段, 非常适合广域覆盖, 因此该频段认知无线电的应用值得关注.
运营商更喜欢通过提升频谱效率的方式来提升容量. 采用校验纠错, 编码方式等办法接近香农极限速率. 相对于 4G 的 Tubor 码, 5G 的信道编码更加高效.
4G 和 Wi-Fi 目前使用的调制技术主要是 OFDM, 这种调制方式的能力相比之前的 CDMA 等有了大幅的提升, 但是 OFDMA 要求各个资源块都正交, 这将限制资源的使用, 因此如果信号不正交也可以正常的解调, 那将可以极大的提升系统容量, 因此 NOMA(non-orthogonal multiple-access)技术应运而生. 在调制技术上的提升到了极限后, 另一种更有效的方法就是多天线技术了, 通过 Massive MIMO 实现容量的大幅提升.
★ 1.1.1 信道编码技术
数据编码方案主要有三个: LDPC 码是美国人提出来的, Polar 码是土耳其一个大学教授提出来的, 另外还有欧洲的 Turbo2.0 码.
2016 年 10 月, 3GPP 在葡萄牙里斯本召开了 RAN1#86bis 会议(以下称 86 次会议), 在此次国际会议上, 以往 3G 和 4G 占主导的 Turbo 几乎没有什么支持者, 论战的主角是 LDPC 和 Polar. 此次会议中三派就其他阵营提出方案的技术短板进行抨击, 然而 LDPC 因技术上的优势而占据上风, 获得了大量支持者, 如三星, 高通, 诺基亚, 英特尔, 联想, 爱立信, 索尼, 夏普, 富士通, 摩托罗拉移动等. 而此时只有华为一家还在坚持 Polar 码, 就算联想投票给 Polar 码也无济于事. 在这一次会议上, LDPC 占据了明显上风, 成为 5G 移动宽带在数据传输部分所采纳的方案.
2016 年 11 月, 3GPP 在美国召开了 RAN1#87 次会议, 此次会议主要讨论 5G 数据信道短码方案以及 5G 控制信道方案. 最终投票达成的结果, 即 5G eMBB 场景的信道编码技术方案中, 长码编码以及和数据信道的上行和下行短码方案采用高通主推的 LDPC 码; 控制信道编码采用华为主推的 Polar 方案.
5G 数据信道追求传输速率, 主要为大型封包, 在此方面 LDPC 的性能具有明显优势, 这也是 LDPC 能顺利拿下数据信道长码的实力所在. 关于 5G 控制信道, 因传输数据量小, 相比于速度更注重可靠性, 在此方面 Polar 码有重要优势, 加之中国厂商 (包括联想投票赞成) 的广泛支持, Polar 码得以成为 5G 移动宽带控制信道的国际编码标准.
大信息块长度下不同信道编码的表现, 可以看出 LDPC 的传输效率还是要明显高于其余两者的.
★ 1.1.2 非正交多址接入技术
4G 网络采用正交频分多址 (OFDM) 技术, OFDM 不但可以克服多径干扰问题, 而且和 MIMO 技术配合, 极大的提高了数据速率. 由于多用户正交, 手机和小区之间就不存在远 - 近问题, 快速功率控制就被舍弃, 而采用 AMC(自适应编码)的方法来实现链路自适应.
从 2G,3G 到 4G, 多用户复用技术无非就是在时域, 频域, 码域上做文章, 而 NOMA 在 OFDM 的基础上增加了一个维度 -- 功率域.
新增这个功率域的目的是, 利用每个用户不同的路径损耗来实现多用户复用.
NOMA 希望实现的是, 重拾 3G 时代的非正交多用户复用原理, 并将之融合于现在的 4G OFDM 技术之中.
NOMA 可以利用不同的路径损耗的差异来对多路发射信号进行叠加, 从而提高信号增益. 它能够让同一小区覆盖范围的所有移动设备都能获得最大的可接入带宽, 可以解决由于大规模连接带来的网络挑战.
★ 1.1.3 毫米波
美国联邦通信委员会早在 2015 年就已经率先规划了 28 GHz,37 GHz,39 GHz 和 64-71 GHz 四个频段为美国 5G 毫米波推荐频段. 美国 FCC 举办了 28GHz 频谱拍卖, 2965 张频谱牌照的成交总额近 7.03 亿美元.(PS: 国外频谱是公开拍卖, 国内是由无线电管理委员会分配).
毫米波很大的优势是频段高, 频谱资源丰富, 带宽很宽. 另外频谱高, 波长短, 天线相应的也更短, 更方便在手机等小型设备上搭建多天线的应用. 光速 = 波长 * 频率的公式计算, 28GHz 频率的波长约为 10.7mm, 也就是毫米波, 一般而言天线长度与波长成正比, 基本上天线是波长的四分之一或二分之一是最优, 因此毫米波更短的波长也让天线变得更短.
在 Massive MIMO 系统中可以在系统基站端实现大规模天线阵列的设计, 从而使毫米波应用结合在波束成形技术上, 这样可以有效的提升天线增益, 但也是由于毫米波的波长较短, 所以在毫米波通信中, 传输信号以毫米波为载体时容易受到外界噪声等因素的干扰和不同程度的衰减, 信号不容易穿过建筑物或者障碍物, 并且可以被叶子和雨水吸收.
★ 1.1.4 Massive MIMO 与波束赋形
MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)可译为多输入多输出, 也就是多根天线的发送和接收. MIMO 并不是一项全新技术, 在 LTE(4G)时代就已经在使用了. 通过更高阶的 MIMO 技术, 结合载波聚合和高阶调制, 业界已经可以让 LTE 达到千兆级 (1Gbps 及以上) 速度, 达到初期 LTE 速度的十倍.
MIMO 技术突破了香农定理的限制, 跳出了点对点单用户的框框, 将单一点对点信道变换成多个并行信道来处理, 以至于频谱效率主要取决于并行信道数量, 从而提升了系统容量和频谱效率.
如下图所示, LTE 和 LTE-A 基站端和手机端使用的都是少量的天线, 手机端使用的天线数较少主要是受制于手机尺寸, 在目前的中低频段, 对应的天线尺寸仍然较大, 无法在手机中集成过多的天线. 而 5G 使用毫米波后, 天线的尺寸变得很小, 可以很方便的集成大量的天线. Massive MIMO 最多可以支持 256 跟天线.
要做到 Massive MIMO, 基站要精确的掌握信道信息和终端位置, 这对于时分复用的 TDD 系统不是什么大问题, 而对于频分的 FDD 系统就麻烦了. 由于 TDD 系统上下行使用同一频段, 可以单边的基于上行信道状况估计下行信道, 即利用上下行信道的互易性来推断基站到终端的下行链路. 而 FDD 系统, 由于上行和下行不在一个频段, 因此不能直接用上行信道状况估计下行信道状况, 为了实现信道估计, 需要引入 CSI 反馈, 多了大量 CSI 反馈, 随着天线数量增加, 不但开销增大, 且反馈信息的准确性和及时性也存在降低的可能. 因此, 业界一直以为, Massive MIMO 在 FDD 上更难于部署.
国内其实在做 3G 的时候, 国产的 TD-SCDMA 里面就有提到智能天线, 基站系统通过数字信号处理技术与自适应算法, 使智能天线动态地在覆盖空间中形成针对特定用户的定向波束. 虽然 TD-SCDMA 没怎么做起来, 但不可否认他让我国各大厂商积累了更多的 MIMO 天线和波束赋形的相关经验. 国外一直在大推 FDD, 目前看来 TDD 在 Massive MIMO 方面有着不可或缺的优势.
中国移动在杭州进行外场测试, 从芯片到核心网端到端使用华为 5G 解决方案. 其中, 网络侧使用华为 2.6GHz NR 支持 160MHz 大带宽和 64T64R MassiveMIMO 的无线设备, 对接集中化部署于北京支持 5G SA 架构的核心网, 同时终端侧使用基于华为巴龙 5000 芯片的测试终端. 可以看到基站侧使用的是 64T64R, 即 64 根发射天线 64 根接收天线, 一共 128 根天线.
MIMO 技术经历了从 SU-MIMO(单用户 MIMO)向 MU-MIMO(多用户 MIMO)的发展过程. SU-MIMO, 它的特点是只服务单一终端, 终端受限于天下数量和设计复杂性, 从而限制了进一步发展. 而 MU-MIMO 将多个终端联合起来空间复用, 多个终端的天线同时使用, 这样以来, 大量的基站天线和终端天线形成一个大规模的虚拟的 MIMO 信道系统. 这是从整个网络的角度更宏观的去思考提升系统容量. 不过, 这么多天线引入, 信号交叉, 必然会导致干扰, 这就需要预处理和波束赋形 (Beamforming) 技术了.
这种空间复用技术, 由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务, 波束之间不会干扰, 在相同的空间中提供更多的通信链路, 极大地提高基站的服务容量.
假设在一个周围建筑物密集的广场边上有一个全向基站(红色圆点), 周围不同方向上分布 3 台终端(红, 绿, 蓝 X). 采用 Massive MIMO 场景下, 并引入精准的波束赋形后, 情况就神奇的变成下面这样了. 看着是不是很高端的样子, 已经可以精确的控制电磁波的方向了, 说起来容易, 做起来可就难了, 这里面的高科技无数.
来源: http://www.tuicool.com/articles/RZRRb2r