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5G手机速度快,主要技术原因是什么?

时间:2019-07-11 作者:赵明灿 阅读:
最近EDN小编看到有人说,"5G下载同样一部电影可能只要花几分钟时间"只不过是炒作罢了。那么EDN小编就想为5G鸣不平。本文就想简单地归纳下,5G当中采用了哪些关键技术,能带来速度的大幅提升。

都说5G手机比4G上网速度快。目前4G的峰值下载速率为1Gbps,下载一部高清电影可能要花一小时时间。而5G的峰值速率有望达到10Gbps,下载同样一部电影可能只要花几分钟时间。

最近EDN小编看到有人说,这只不过是炒作罢了。那么EDN小编就想为5G鸣不平。本文就想简单地归纳下,5G当中采用了哪些关键技术,能带来速度的大幅提升。

频谱扩展

5G网络和4G大不同。首先从频谱来看,1G到4G无线通信采用的 300MHz~3GHz 频谱具有穿透性、覆盖范围广等优点,但存在一个非常致命的缺点:频带宽度过于狭窄,位于频段内的无线设备数量众多,频谱分配即将枯竭。

全球5G先发频段则是C波段(频谱范围为3.3GHz-4.2GHz、4.4GHz-5.0GHz)和毫米波频段26GHz/28GHz/39GHz。此外,5G采用了宽频方式定义频段,形成了少数几个全球统一频段,大大降低了手机支持全球漫游的复杂度。5G的最大带宽由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术。OFDM技术被当今的4G LTE和Wi-Fi系统广泛采用。因其可扩展至大带宽应用,可具有高频谱效率和较低的数据复杂性,因此能够很好地满足5G要求。OFDM 技术家族可实现多种增强功能,例如通过加窗或滤波增强频率本地化、在不同用户与服务间提高多路传输效率,以及创建单载波OFDM波形,实现高能效上行链路传输。

通过OFDM子载波之间的15kHz间隔(固定的OFDM参数配置),LTE最高可支持20 MHz的载波带宽。为了支持更丰富的频谱类型/频带(如毫米波、非授权频段)和部署方式。5G NR将引入可扩展的OFDM间隔参数配置。这样,5G NR就在统一的框架下提高多路传输效率。另外,5G NR也能跨参数实现载波聚合,比如聚合毫米波和6GHz以下频段的载波。

5G新空口在上行与下行方向上均采取具有可扩展特性(在子载波间隔及循环前缀方面)的循环前缀正交频分复用(CP-OFDM)技术,这样,上行与下行就有着相同的波形,从而就可简化5G新空口的整体设计,尤其是无线回程以及设备间直接通信(D2D)的设计。缩减 OFDM 信号的 CP 前缀,压缩 OFDM 长度,可降低传输延迟。此外,Filter-OFDM技术可降低频谱边缘保护带的开销,相比4G,在同样的标称带宽下,传输带宽有了明显的提升。

高阶调制

现有4G LTE具有QPSK、16QAM、64QAM、256QAM可采取这四种调制方式,5G新空口也将支持。目前,5G新空口标准中新增1024QAM。

在手机侧,目前4G采用的调制方式是64QAM。而5G可以采用256QAM,这样一个码元就可以传输8比特数据。

Massive MIMO

多天线技术经历了从无源到有源,从2D到3D,从高阶MIMO到大规模阵列的发展,有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高。

由于引入了有源天线阵列,5G基站侧可支持的协作天线数量将达到128根。此外,原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列,形成新颖的3D-MIMO技术,支持多用户波束智能成形,减少用户间干扰,结合高频段毫米波技术,将进一步改善无线信号覆盖性能。

多天线的使用带来了空间复用增益,可以大幅度提升容量。但对于特定终端(如手机),能支持的复用层数受限于接收天线的数目。

现在大家所使用的手机标配的接收天线数目为两个,因此能支持最大复用层数为两层。未来使用4收天线的终端将成为主流。5G NR将标配的接收天线数目提升了一倍。相比2收、4收终端可以大幅提升下行速率。

波束成形

Massive MIMO由于每个天线阵列集成了更多的天线,因此其主要挑战是减少干扰。如果能有效地控制这些天线,让它发出的每个电磁波的空间互相抵消或者增强,就可以形成很窄的波束,而不是全向发射。这样就能将有限的能量都集中在特定方向上进行传输,不仅可使传输距离更远,而且还能避免信号的干扰,这种将无线信号(电磁波)按特定方向传播的技术就叫做波束成形(beamforming)。

这一技术的优势不仅如此,它可以提升频谱利用率,通过这一技术便可同时从多个天线发送更多信息。因此,波束成形可以解决毫米波信号被障碍物阻挡以及远距离衰减的问题。

全双工

最近几年,同时同频全双工技术吸引了业界的注意力。5G网络采用该技术,在相同的频谱上,通信的收发双方同时发射和接收信号,与传统的TDD和FDD双工方式相比,从理论上可使空口频谱效率提高1倍。全双工技术能够突破FDD和TDD方式的频谱资源使用限制,使得频谱资源的使用更加灵活。

终端直通

传统的蜂窝通信系统的组网方式是以基站为中心实现小区覆盖,而基站及中继站无法移动,其网络结构在灵活度上有一定的限制。随着无线多媒体业务不断增多,传统的以基站为中心的业务提供方式已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。

终端直通(D2D)技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信,拓展网络连接和接入方式。由于短距离直接通信,信道质量高,D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗;通过广泛分布的终端,能够改善覆盖,实现频谱资源的高效利用;支持更灵活的网络架构和连接方法,提升链路灵活性和网络可靠性。

目前,D2D采用广播、组播和单播技术方案,未来将发展其增强技术,包括基于D2D的中继技术、多天线技术和联合编码技术等。

高级信道编码设计

目前LTE网络的编码还不足以应对未来的数据传输需求,因此迫切需要一种更高效的信道编码设计,以提高数据传输速率,并利用更大的编码信息块契合移动宽带流量配置,同时,还要继续提高现有信道编码技术(如LTE Turbo)的性能极限。

与前代通信技术数据信道所用turbo码、控制信道用TBCC等编码方式相比,5G NR采用了全新的信道编码方式,即数据信道用LDPC编码,控制信道和广播信道用Polar编码。这一改进可以提高NR信道编码效率,能以低复杂度和低时延,扩展达到更高的传输速率。

总结

由于篇幅有限,本文仅针对5G手机列举了几项关键技术。同时,要实现5G手机的快速通信,也少不了基础设施侧的超密集网络和小基站等技术的支持。此外,对于万物互联,网络功能虚拟化/网络切片、无线软件定义网络等技术也都是5G研究的热点。

 

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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