5G相比4G的五大技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在2015年的MWC上國(guó)內(nèi)外廠商紛紛展示各自在5G上的進(jìn)展之后，5G就瞬間成為了業(yè)界的討論的焦點(diǎn)，在媒體竭盡溢美之詞的同時(shí)，芯片商、通信設(shè)備商以及電信運(yùn)營(yíng)商無(wú)一例外開(kāi)始傾其所有布局下一代通信技術(shù)，目的就是搶占話語(yǔ)權(quán)。對(duì)于數(shù)消費(fèi)者而言，5G的價(jià)值在于它擁有比4G+ LTE更快的速度（峰值速率可達(dá)幾十Gbps），例如你可以在一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影，而4G LTE可能要10分鐘。也正是因?yàn)檫@一得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，業(yè)界普遍認(rèn)為5G將在無(wú)人駕駛汽車、VR以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

和4G相比，5G的提升是全方位的，按照3GPP的定義，5G具備高性能、低延遲與高容量特性，而這些優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在毫米波、小基站、Massive MIMO、全雙工以及波束成形這五大技術(shù)上。

毫米波

眾所周知，隨著連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量的增加，頻譜資源稀缺的問(wèn)題日漸突出。至少就現(xiàn)在而言，我們還只能在極其狹窄的頻譜上共享有限的帶寬，這極大的影響了用戶的體驗(yàn)。

那么5G提供的幾十個(gè)Gbps峰值速度如何實(shí)現(xiàn)呢？

眾所周知，無(wú)線傳輸增加傳輸速率一般有兩種方法，一是增加頻譜利用率，二是增加頻譜帶寬。5G使用毫米波（26.5～300GHz）就是通過(guò)第二種方法來(lái)提升速率，以28GHz頻段為例，其可用頻譜帶寬達(dá)到了1GHz，而60GHz頻段每個(gè)信道的可用信號(hào)帶寬則為2GHz。

在移動(dòng)通信的歷史上，這是首次開(kāi)啟新的頻帶資源。在此之前，毫米波只在衛(wèi)星和雷達(dá)系統(tǒng)上被應(yīng)用，但現(xiàn)在已經(jīng)有運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始使用毫米波在基站之間做測(cè)試。

當(dāng)然，毫米波最大的缺點(diǎn)就是穿透力差、衰減大，因此要讓毫米波頻段下的5G通信在高樓林立的環(huán)境下傳輸并不容易，而小基站將解決這一問(wèn)題。

小基站

上文提到毫米波的穿透力差并且在空氣中的衰減很大，但因?yàn)楹撩撞ǖ念l率很高，波長(zhǎng)很短，這就意味著其天線尺寸可以做得很小，這是部署小基站的基礎(chǔ)。

可以預(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)5G移動(dòng)通信將不再依賴大型基站的布建架構(gòu)，大量的小型基站將成為新的趨勢(shì)，它可以覆蓋大基站無(wú)法觸及的末梢通信。

因?yàn)轶w積的大幅縮小，我們?cè)O(shè)置可以在250米左右部署一個(gè)小基站，這樣排列下來(lái)，運(yùn)營(yíng)商可以在每個(gè)城市中部署數(shù)千個(gè)小基站以形成密集網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)基站可以從其它基站接收信號(hào)并向任何位置的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)然，你大可不必?fù)?dān)心功耗問(wèn)題，雷鋒網(wǎng)之前曾報(bào)道過(guò)：小基站不僅在規(guī)模上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大基站，功耗上也大大縮小了。

除了通過(guò)毫米波廣播之外，5G基站還將擁有比現(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站多得多的天線，也就是Massive MIMO技術(shù)。

Massive MIMO

現(xiàn)有的4G基站只有十幾根天線，但5G基站可以支持上百根天線，這些天線可以通過(guò)Massive MIMO技術(shù)形成大規(guī)模天線陣列，這就意味著基站可以同時(shí)從更多用戶發(fā)送和接收信號(hào)，從而將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的容量提升數(shù)十倍倍或更大。

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）的意思是多輸入多輸出，實(shí)際上這種技術(shù)已經(jīng)在一些4G基站上得到了應(yīng)用。 但到目前為止，Massive MIMO僅在實(shí)驗(yàn)室和幾個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中進(jìn)行了測(cè)試。

隆德大學(xué)教授Ove Edfors曾指出，“Massive MIMO開(kāi)啟了無(wú)線通訊的新方向——當(dāng)傳統(tǒng)系統(tǒng)使用時(shí)域或頻域?yàn)椴煌脩糁g實(shí)現(xiàn)資源共享時(shí)，Massive MIMO則導(dǎo)入了空間域（spatial domain）的途徑，其方式是在基地臺(tái)采用大量的天線以及為其進(jìn)行同步處理，如此則可同時(shí)在頻譜效益與能源效率方面取得幾十倍的增益?！?/p>

毋庸置疑，Massive MIMO是5G能否實(shí)現(xiàn)商用的關(guān)鍵技術(shù)，但是多天線也勢(shì)必會(huì)帶來(lái)更多的干擾，而波束成形就是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

波束成形

Massive MIMO的主要挑戰(zhàn)是減少干擾，但正是因?yàn)镸assive MIMO技術(shù)每個(gè)天線陣列集成了更多的天線，如果能有效地控制這些天線，讓它發(fā)出的每個(gè)電磁波的空間互相抵消或者增強(qiáng)，就可以形成一個(gè)很窄的波束，而不是全向發(fā)射，有限的能量都集中在特定方向上進(jìn)行傳輸，不僅傳輸距離更遠(yuǎn)了，而且還避免了信號(hào)的干擾，這種將無(wú)線信號(hào)（電磁波）按特定方向傳播的技術(shù)叫做波束成形（beamforming）。

這一技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不僅如此，它可以提升頻譜利用率，通過(guò)這一技術(shù)我們可以同時(shí)從多個(gè)天線發(fā)送更多信息；在大規(guī)模天線基站，我們甚至可以通過(guò)信號(hào)處理算法來(lái)計(jì)算出信號(hào)的傳輸?shù)淖罴崖窂剑⑶易罱K移動(dòng)終端的位置。因此，波束成形可以解決毫米波信號(hào)被障礙物阻擋以及遠(yuǎn)距離衰減的問(wèn)題。

全雙工

全雙工技術(shù)是指設(shè)備的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)占用相同的頻率資源同時(shí)進(jìn)行工作，使得通信兩端在上、下行可以在相同時(shí)間使用相同的頻率，突破了現(xiàn)有的頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）模式，這是通信節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)雙向通信的關(guān)鍵之一，也是5G所需的高吞吐量和低延遲的關(guān)鍵技術(shù)。

在同一信道上同時(shí)接收和發(fā)送，這無(wú)疑大大提升了頻譜效率。但是5G要使用這一顛覆性技術(shù)也面臨著不小的挑戰(zhàn)，根據(jù)《移動(dòng)通信》之前發(fā)布的資料顯示，主要有一下三大挑戰(zhàn)：

1.電路板件設(shè)計(jì)，自干擾消除電路需滿足寬頻（大于100MHZ）和多MIMO（多于32天線）的條件，且要求尺寸小、功耗低以及成本不能太高。

2.物理層、MAC層的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，比如編碼、調(diào)制、同步、檢測(cè)、偵聽(tīng)、沖突避免、ACK等，尤其是針對(duì)MIMO的物理層優(yōu)化。

3.對(duì)全雙工和半雙工之間動(dòng)態(tài)切換的控制面優(yōu)化，以及對(duì)現(xiàn)有幀結(jié)構(gòu)和控制信令的優(yōu)化問(wèn)題。