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5G技術(shù)構(gòu)成：透過(guò)eMBB、mMTC、uRLLC三大應(yīng)用場(chǎng)景從通信技術(shù)根源出發(fā)

2018-01-03 13:58:13 來(lái)源：聯(lián)動(dòng)原素 熱度:
導(dǎo)語(yǔ)：5G未來(lái)就在眼前，由于5G技術(shù)的三大場(chǎng)景應(yīng)用性上相比于前幾代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的巨大提升，它必將帶來(lái)一些我們目前甚至無(wú)法想象出的應(yīng)用。此番，我們從技術(shù)角度上來(lái)看看5G技術(shù)是如何得以實(shí)現(xiàn)的，也為你埋下一顆在5G應(yīng)用上的種子。
 
現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的演進(jìn)幾乎10年就是一個(gè)時(shí)代，從上世紀(jì)90年代的2G，直至觸手可及的5G?？梢哉f(shuō)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是真正能夠最迅速普惠全民眾的事業(yè)，它所帶來(lái)的便利性，應(yīng)用性起到著推進(jìn)時(shí)代進(jìn)程的作用，我覺(jué)得這是通信人所值得驕傲的。
 
 
最新的5G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)會(huì)帶來(lái)什么樣的變化，ITU從eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）、mMTC(海量機(jī)器類(lèi)通信)、uRLLC（超可靠、低時(shí)延通信）的三大應(yīng)用場(chǎng)景上做出了一定規(guī)劃。那么5G技術(shù)到底又有什么不同呢？我們從其根源上出發(fā)從技術(shù)角度來(lái)看看它的演進(jìn)過(guò)程。
 
首先從香農(nóng)公式說(shuō)起，：C＝B log2(1+S/N)。C是最大傳輸速率；B為頻譜帶寬；S為信號(hào)功率；N則是噪聲功率。此公式為通信領(lǐng)域理論之基。
 
 
首先很明顯，在直觀(guān)角度上，為了提高傳輸速率最直接的做法就是提高頻譜帶寬。
 
為了提高頻譜帶寬，總的來(lái)說(shuō)分為三類(lèi)方法。其一，提高頻譜范圍，由C= λV，為了提高頻率，那么所需波長(zhǎng)就越小。也就誕生了5G的關(guān)鍵技術(shù)之一：毫米波（mmWave）。其二，提高頻譜利用率，那么這就涉及到了大幅提高頻譜效率的Massive MIMO，以及（調(diào)制技術(shù)）正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM（以及F-OFDM等）和可以實(shí)現(xiàn)頻譜效率3倍提升空分多址技術(shù)SCMA。其三，為了提高在傳輸過(guò)程中的效率，空間利用率和抗干擾性、減低能耗，便有了CCFD(同時(shí)同頻全雙共)、3D波束賦形（對(duì)射頻信號(hào)相位的控制，使得電磁波精準(zhǔn)的指向所需服務(wù)的移動(dòng)終端）和D2D（同基站下終端與終端可直接通信，無(wú)需經(jīng)過(guò)基站）。
 
在實(shí)現(xiàn)了這些技術(shù)的前提下，三大應(yīng)用場(chǎng)景基本就得到了解決，當(dāng)然這不是最終的。在有了這些技術(shù)的情況下，為了提高其可靠性，更低時(shí)延等，還有別的工作要做。
 
首先，傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商基站的建設(shè)成本是比較高的，而5G由于其多需要采用高頻段，那么它的覆蓋范圍勢(shì)必將縮小，那么（宏）基站的建設(shè)成本無(wú)疑會(huì)成為一個(gè)很大的問(wèn)題，（這也正是當(dāng)初運(yùn)營(yíng)商搶低頻而段而搶的頭破血流的原因）因而提出了UDN（超密集組網(wǎng)）、UCNC（虛擬化小區(qū)和CloudRAN）等的建設(shè)方案，其做法之一就是建設(shè)微基站。（PS:據(jù)了解近兩年微基站的建設(shè)成本控制在五千元以?xún)?nèi)）同時(shí)，由于SDR技術(shù)的發(fā)展，微基站建設(shè)的長(zhǎng)期投入成本將會(huì)更低——頻帶、空中接口協(xié)議和功能都可通過(guò)軟件下載和更新來(lái)升級(jí)，而不用完全更換硬件。
 
除此之外，5G技術(shù)其實(shí)不單單指高頻段的應(yīng)用上，它將涵蓋，或者說(shuō)覆蓋此前的網(wǎng)絡(luò)頻段應(yīng)用，使得5G網(wǎng)成為一個(gè)巨大的混合網(wǎng)，因而有5G物聯(lián)網(wǎng)之說(shuō)。由此，端對(duì)端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的應(yīng)用也將成為解決大規(guī)模連接節(jié)點(diǎn)的一個(gè)重要方式，這會(huì)更好地解決5G在物聯(lián)網(wǎng)中一些對(duì)連接要求不那么極端的設(shè)備連接上。
 
說(shuō)完這些提高物理性技術(shù)的方案，我們?cè)賮?lái)談?wù)剰挠?jì)算機(jī)技術(shù)上的方案。編碼方案一定程度上在傳輸“源頭”決定了傳輸?shù)乃俾逝c時(shí)延，此前的4G網(wǎng)絡(luò)上，不論信道控制還是數(shù)據(jù)控制都采用的是LDPC，而在去年底，3GPP確定了由華為中國(guó)公司主推的的極化碼（Polar）方案作為5G eMBB場(chǎng)景的控制信道編碼方案，雖然數(shù)據(jù)信道上憾負(fù)LDPC幾票。
 
至此，我們從通信技術(shù)的根源上對(duì)5G所采用的主要新興技術(shù)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)性總結(jié)，當(dāng)然，5G中的新技術(shù)還很多，我也只是從旁觀(guān)者的角度去少部分的了解了這么一些。（如有意見(jiàn)，請(qǐng)?jiān)u論補(bǔ)充）再者，5G雖在眼前，但它仍然還處于不斷發(fā)展的狀態(tài)，也勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)更多更好地促使其成熟、加快落地的新技術(shù)。
 
以下部分則是一段簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)演進(jìn)史。
 

 
追溯到由無(wú)線(xiàn)電報(bào)而衍生的模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)，它以模擬電路單元為基本模塊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信，并創(chuàng)新式地采用了蜂窩結(jié)構(gòu)，可重復(fù)利用頻帶，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域覆蓋和移動(dòng)環(huán)境下的不間斷通信。但它的不足之處也很明顯：頻譜利用率低，容量節(jié)點(diǎn)有限；保真性較差，安全隱患大；制式太多，兼容性差；無(wú)法提供非語(yǔ)音數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
 
相比于1G，2G時(shí)代由ETSI制定的GSM可謂是三朝元老，自90年商用沿用至今，統(tǒng)治了一代人的記憶。除此之外，高通基于擴(kuò)頻技術(shù)推廣的CDMA也是我國(guó)聯(lián)通早期的主要通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2G時(shí)代我們主要應(yīng)用的就是基于GSM演進(jìn)的GPRS了，基于此誕生的WAP可以算是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的階段性產(chǎn)物。但是很明顯，其仍舊無(wú)法解決頻譜資源緊張的問(wèn)題。
 
直至3G的出現(xiàn)，日、歐提出了WCDMA，能夠直接架設(shè)在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，能夠輕易度過(guò)通信技術(shù)的迭代，降低基站建設(shè)的成本；高通則提出了CDMA2000，這套系統(tǒng)從窄頻CDMA1X衍生而來(lái)，可從原有CDMA 1X結(jié)構(gòu)直接升級(jí)3G，建設(shè)成本低廉。同時(shí)這套系統(tǒng)也成了高通的搖錢(qián)樹(shù)之一，從運(yùn)營(yíng)商處收取5%的專(zhuān)利費(fèi)用，這也為日后我國(guó)和歐洲共同研發(fā)LTE埋下了伏筆。1998年，我國(guó)也提出了TD-SCDMA，采用了智能無(wú)線(xiàn)，同步CDMA和軟件無(wú)線(xiàn)電等當(dāng)今國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)，其在頻譜利用、業(yè)務(wù)支持靈活性上都有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
 

 
4G時(shí)代的到來(lái)，是比較快的。很多人都感覺(jué)3G還沒(méi)用熱呢，運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在短信通知換取4G卡了。4G的演進(jìn)過(guò)程中OFDM有著關(guān)鍵性作用，而無(wú)論WCDMA還是TD-SCDMA都可以很快速的直接演進(jìn)到LTE，相比于此前的通信技術(shù)無(wú)疑4G的優(yōu)勢(shì)是巨大的，通信速度上的躍升已可匹及家庭寬帶，因而實(shí)現(xiàn)了更高質(zhì)量的多媒體通信業(yè)務(wù)，同時(shí)4G的發(fā)展也為現(xiàn)今智能手機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及做出了巨大貢獻(xiàn)。
 
而講到LTE就不得不說(shuō)說(shuō)FDD與TDD的差別了，如果將頻譜比作一條高速公路，那么FDD就是采用雙車(chē)道制式，可同步進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳和下載；而TDD則是一條根據(jù)時(shí)間變換的單行道，將時(shí)間分成無(wú)數(shù)幀，在幀與幀之間實(shí)行變換。
 
5G以前的通信演進(jìn)史就到此劃一段落了，而5G的演進(jìn)正在進(jìn)行之中，我們會(huì)共同持續(xù)關(guān)注它給物聯(lián)網(wǎng)，給整個(gè)時(shí)代所帶來(lái)的影響。

責(zé)任編輯：黃焱林

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