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5G

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5G
3GPP标准的5G标志
规范发布2019年4月 (2019-04)
使用于电信

第五代移动通信技术(英语:5th generation mobile networks5th generation wireless systems,简称5G)是最新一代移动通信技术,为4GLTE-AWiMAX-A)系统后的延伸。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。Release-15中的5G规范的第一阶段是为了适应早期的商业部署。Release-16的第二阶段于2020年4月完成,作为IMT-2020技术的候选提交给国际电信联盟(ITU)。[1]

ITU IMT-2020规范要求速度高达20 Gbit/s,可以实现宽通道带宽和大容量MIMO[2]第三代合作伙伴计划(3GPP)将提交5G NR(新无线电)作为其5G通信标准提案。5G NR可包括低频(FR1),低于6 GHz和更高频率(FR2),高于24 GHz和毫米波范围。在早期发展时,在4G硬件(非独立)上使用5G NR软件的速度和延迟相较新一代4G系统只拥有约25%到50%的改善幅度。[3][4][5]独立eMBB部署的仿真显示,在FR1范围内,吞吐量提高了2.5倍,在FR2范围内提高了近20倍。[6]

目前,提供5G无线硬件与系统给电信运营商的公司有:诺基亚爱立信三星高通思科华为中兴大唐电信[7][8][9][10][11][12][13]

概述

支持5G通信制式的智能手机
支持5G通信制式的智能手机

与早期的2G3G4G移动网络一样,5G网络是数字信号蜂窝网络,在这种网络中,供应商覆盖的服务区域被划分为许多被称为蜂窝的小地理区域。表示声音和图像的模拟信号在手机中被数字化,由模数转换器转换并作为位元流传输。蜂窝中的所有5G无线设备通过无线电波与蜂窝中的本地天线阵和低功率自动收发器发射机接收机)进行通信。收发器从公共频率池分配频道,这些频道在地理上分离的蜂窝中可以重复使用。本地天线通过高带宽光纤或无线回程连接与电话网络互联网连接。与现有的手机一样,当用户从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时,他们的移动设备将自动“切换”到新蜂窝中的频道。

5G网络的主要优势在于,数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络,最高可达10 Gbit/s,比先前的4G LTE蜂窝网络快100倍。[14][15]另一个优点是较低的网络延迟英语network latency(更快的响应时间),在同等条件下 5G 的延迟低于1毫秒,而4G为30-70毫秒。[15]由于数据传输更快更便利,5G网络将不仅仅为手机提供服务,而且还将成为一般性的家庭和办公网络提供商,与有线网络提供商竞争。以前的蜂窝网络提供了适用于手机的低数据率互联网接入,但是一个手机发射塔不能经济地提供足够的带宽作为家用电脑的一般互联网供应商。

5G网络通过在30至300 GHz的毫米波波段内或附近[14],使用更高频率无线电波来实现这些更高的数据速率,而以前的蜂窝网络使用700 MHz和3 GHz之间的微波频带中的频率。一些5G供应商将使用微波频段中的第二个低频范围,低于6 GHz,但这不会有新频率的高速度。由于毫米波频段的带宽更为丰富,5G网络将使用更宽的频道与无线设备进行通信,带宽最高可达800 MHz,而4G LTE的带宽为20 MHz,可以每秒传输更多数据(位元)。OFDM调制技术是利用多个载波在频率波道中进行传输,从而同时并行地传输多个位元的信息。

2020年3月18日,安徽医科大学第一附属医院专家通过5G视频连线,助力南苏丹疫情防控
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2020年4月,中国移动工程队在珠穆朗玛峰上建造5G基站
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2020年5月25日 从“新概念”到“遍地开花” 代表委员热议5G新发展
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大气中的气体会吸收毫米波,且毫米波比微波辐射的范围小,因此每个分区可达范围会有所限制;例如以前的蜂窝网络的分区可能横跨数公里,但5G分区大约只有一个街区的大小。电磁波也很难穿过建筑物的墙壁,需要多个天线来覆盖一个蜂窝。[14]毫米波天线比以前的蜂窝网络中使用的大型天线要小,只有几英寸长,所以5G蜂窝将被安装在电话杆和建筑物上的许多天线覆盖,而不是一个基站塔或基站。[15]另一种用来提高数据传输速率的技术是大规模MIMO技术。[14]每个蜂窝将有多个天线与无线设备进行通信,每个天线通过一个独立的频道,由设备中的多个天线接收,这样多个数据将同时并行传输。在一种称为波束赋形的技术中,基站电脑将不断计算无线电波到达每个无线设备的最佳路径,并将组织多个天线以相控阵(亦称“相位数组”)的形式协同工作,产生到达设备的毫米波束。[14][15]更小、更多的蜂窝使得5G网络基础设施比以前的蜂窝网络每平方千米覆盖更昂贵。部署目前仅限于都市地区,那里每个手机都有足够的用户来提供足够的投资回报,而且人们对这项技术是否能够到达偏乡区域存在疑问。[14]

新的5G无线设备也具有4G LTE功能,因为新的网络使用4G与蜂窝创建连接,此外在5G无法到达的地方也会使用4G。[16]

5G的高数据传输速率和低延迟被认为在不久的将来会有新的用途。[16]一种应用是实际的虚拟现实增强现实。另一种应用是物联网中快速的机器对机器的交互。例如,道路上车辆中的电脑可以通过5G连续不断地相互通信,也可以连续不断地与道路通信。[16]

规格

下一代移动网络联盟(Next Generation Mobile Networks Alliance)定义了5G网络的以下要求:

  • 以10Gbps的数据传输速率支持数万用户;
  • 以1Gbps的数据传输速率同时提供给在同一楼办公的许多人员;
  • 支持数十万的并发连接以用于支持大规模传感器网络的部署;
  • 频谱效率应当相比4G被显著增强;
  • 覆盖率比4G有所提高;
  • 信令效率应得到加强;
  • 延迟应显著低于LTE

下一代移动网络联盟认为,5G应会在2020年陆续推出,以满足企业和消费者的需求。除了简单的提供更快的速度,他们预测5G网络还需要满足新的使用案例需求,如物联网(网络设备建筑物或Web访问的车辆)、广播类服务,以及在发生自然灾害时的生命线通信。

基站及覆盖范围

基站类型 部署环境 用户数量 输出功率(mW 最远覆盖范围
Femto cell 家用, 商用等私人领域 4 - 8 (家用), 16 - 32 (商用) 10 - 100(户外), 200 - 1000(户外) 数10米
Pico cell 大型购物商场, 摩天大楼等室内公共区域 64 - 128 100 - 250 (户外), 1000 - 5000 (户外) 数10米
Micro cell 机场, 铁路车站十字路口等人流量较大处 128 - 256 5000 - 10000 (仅限户外) 100余米
Macro cell 展览会场、体育场馆、演唱会现场等超高度密集区 超出 250 10000 - 20000 (仅限户外) 数100米
Wi-Fi (对比) 家用, 商用 低于 50 20 - 100 (户外), 0.2 - 1000 (户外) 数10米~100米(户外)

技术创新

5G与4G相比的技术创新如下:[17]

  • 5G将采用512-QAM或1024-QAM更高的资料压缩密度调制/解调制器,目前4G使用256-QAM或64-QAM的调制以压缩传输资料,因此频谱效率每Mbps/100MHz的利用效率更高提高更多传输速率。
  • 5G将采用28GHz毫米波通信,比如目前4G使用700MHz、900MHz、1800Mhz、2600Mhz等低频段,虽然电波衍射能力比较高但是在低频上频谱资源就却相当有限,在高频的毫米波大多是军用战斗机雷达或测速照相等少数设备,频谱宽度更高,而且更容易找到连续频谱,使空白频谱非常容易获取。
  • 波束指向配合多输入多输出(Multi-input Multi-output;MIMO)相控数组天线,MIMO多输入多输出利用电磁波的空分复用和路径不同多天线系统提高传输速率,类似在军用领域的技术将延伸出的商用技术版本。
  • 波束自适应和波束成形,能够提高特定方向的波瓣优化传输距离。[18]
  • 新材料将使用GaN氮化镓或是GaAs砷化镓材料的RF射频天线和功率放大器,此材料的RF射频天线能在更高的频段有更高的能源效率,设备会比较省电。[19][20][21]
  • 为了适应工业物联网无人驾驶汽车、商用无人机等新技术的应用,网络延迟时间将降低到1毫秒以下。[22]

部署

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2020年10月26日 金川集团二矿区千米矿井下5G矿车的“黑科技”:上班“打游戏”变现实
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由于5G技术将可能使用的频谱是28GHz及60GHz,属极高频(EHF),比一般电信业现行使用的频谱(如2.6GHz)高出许多。虽然5G能提供极快的传输速度,能达到4G网络的40倍,而且时延很低,但信号的衍射能力(即绕过障碍物的能力)十分有限,且发送距离很短,[23]这便需要增建更多基站以增加覆盖。

华为在2013年11月6日宣布将在2018年前投资6亿美元对5G的技术进行研发与创新,并预告在2020年用户会享受到20Gbps的商用5G移动网络。2014年5月8日,日本电信运营商NTT DoCoMo正式宣布将与EricssonNokia、三星等六间厂商共同合作,开始测试凌驾现有4G网络1000倍网络承载能力的高速5G网络,传输速度可望提升至10Gbps。预计在2015年展开户外测试,并期望于2020年开始运作。[24]

2013年5月13日,韩国三星电子宣布,已成功开发出第5代移动通信(5G)的核心芯片,[25]这一技术预计将于2020年开始推向商业化。[26]该芯片技术可在28GHz超高频段以每秒1Gb以上的速度传送数据,且最长传送距离可达2公里。与韩国目前4G技术的传送速度相比,5G技术要快数百倍。透过这一技术,下载一部1GB的高清(HD)电影只需十秒钟。2015年诺基亚与加拿大Wind Mobile通信运营商成功测试5G。在2018年冬季奥运期间,韩国推出了5G试验网络,计划于2020年实行大规模商用。[23]2016年8月3日,澳大利亚电信宣布将于2018年在黄金海岸进行5G试验。[27]

华为2016年4月份宣布率先完成中国IMT-2020(5G)推进组第一阶段的空口关键技术验证测试,在5G波道编码领域全部使用极化码,2016年11月17日国际无线标准化机构3GPP第87次会议在美国拉斯维加斯召开,中国华为主推Polar Code(极化码)方案,美国高通主推LDPC方案,法国主推Turbo2.0方案,最终eMBB场景的控制波道方案由极化码胜出,eMBB场景的数据波道方案由LDPC胜出。[28]

2016年高通公司发表全球首个5G基带芯片X50,骁龙X50 5G调制解调器使用28GHz毫米波通信,下行速率达到5Gbps为目前最快的量产形芯片X16使用在S835处理器的1Gbps的5倍之多,X50基带可能在2018年初量产。[29][30]高通进一步的解释是,利用毫米波波长短的特点,形成狭窄的定向波束,发送和接收更多能量,从而克服传播/路径损耗的问题并在空间中重复使用。此外,在视距路径受阻时,非视距(NLOS)路径(如附近建筑的反射)能有大量能量以提供替代路径。按照高通的规划,骁龙X50 5G平台将包括调制解调器、SDR051毫米波收发器和支持性的PMX50电源管理芯片。[31]

2019年手机芯片厂商联发科世界移动通信大会(MWC 2019),展示该公司第一款 5G 调制解调器芯片M70的传输速度,目前正与客户紧密合作,预期 2020 年市场上将推出搭载联发科技芯片的 5G 终端设备。[32]

2019年4月3日,韩国于当地时间(UTC+9)23时启动5G网络服务并成为第一个5G国家。三家韩国电信公司(SK Telecom,KT和LG Uplus)在发布当天表示使用5G网络的用户已超过40,000。[33][34][35][36]

2020年4月30日,全球海拔最高,位于珠穆朗玛峰海拔6500米的前进营地的5G基站投入使用[37]

2020年7月28日,德国电信证实,其5G服务目前已覆盖德国全国3000个城镇和直辖市,已有近3万个5G 天线投入使用[38]

部分已商用的国家或地区

以下列表按时间排序

争议

健康问题

自2019年以来,一些团体以健康问题为由,反对部署5G。[41]最终未有证据[42]说服监管机构或专业协会(如:美国国家癌症研究所)或证明5G对人体有害。[43]

间谍活动

美国声称海外间谍可能利用中国的设备而从事间谍活动,力求其盟国禁止使用由中方所提供的5G设备。这个原因说服部分国家停止采购,澳大利亚日本台湾等国家及地区已禁止其运营商在5G网络建设中采购中方设备,例如华为[44][45][46][47][48][49],英国亦仅允许华为有限度参与该国5G建设[50][51]

继英国决定禁止华为参与5G建设之后,法国当局规定不给购买华为5G设备的电信运营商续签许可证,由此华为将在2028年前彻底出局法国网络。跟英国直接宣布禁用华为不同,法国采取了陆陆续续非正式通知运营的方法,让希望使用华为的运营商知难而退。法国网络安全机构ANSSI负责人波帕尔(Guillaume Poupard)向《回声报》记者证实,华为将视具体情况被拒绝,诺基亚和爱立信并不存在这个问题。[52]

2020年7月,英国文化大臣奥利弗·道登(Oliver Dowden)宣布,英国政府已经决定停止在5G网络建设中继续使用华为设备。道登表示,英国政府将从2020年12月31日起停止购买新的华为设备,而英国5G网中现有华为设备须在2027年前拆除。[53]

实际需求

华为创始人任正非在2018年4月接受新华社采访时表示:“科学技术的超前研究不代表社会需求已经产生,5G就是媒体炒作过热了,我不认为现在5G有这么大的市场空间,因为需求没有完全产生。如果说无人驾驶需要5G,现在能有几台车在无人驾驶?其实轮船、飞机等已经实现了无人驾驶,但是如果飞行员不上飞机,乘客敢上飞机吗?就是这个道理。系统工程不是有一个喇叭口就能解决的问题。”[54]

网易创始人丁磊在2019年两会期间表示:“我不认为5G的高速会对目前的媒体平台有重大的改变,全世界都一样……它只是个速度的增加而已,其实你现在手机速度也够快了,不管是WIFI、4G,都差不多够快了。我觉得(日常使用)基本上完全可以满足。”[55]

干扰卫星通信

由于5G和部分卫星通信同样会使用C波段,加上地面上的5G信号强度要明显高于卫星信号,可能导致5G信号干扰卫星信号的情况。针对这一情况,市面上已有面向卫星用户的滤波器,可减少5G信号带来的干扰。[56]

传讯距离

3G和4G传讯距离皆比5G能来的更远,由于5G高频谱的关系,让信号绕过障碍物的能力不如3G和4G,但如果更密集式的架设5G网络,可以减缓这发送范围小的问题,原本3G和4G网络可以距离较远的架设基站,但由于5G网络发送范围小,需更密集架设基站


参考资料

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