5G是什麼?5G的關鍵技術簡介

2020-10-23 11:00:51

行動通訊發展歷程

在行動通訊領域,常聽到「3G」、「4G」的術語。「G」是「Generation」的簡寫,每一個「G」, 都代表了行動通訊的一個發展階段,也是一個時代。 行動通訊技術從 20 世紀 80 年代誕生 開始,歷經這 30 多年的發展,大約每 10 年曆經一個發展階段。下面介紹一下,行動通訊 從「1G」到「5G」的發展歷程。

第一代行動通訊系統(1G)

第一代行動通訊技術誕生於美國貝爾實驗室。1978 年,美國貝爾實驗使研製成功高階 行動電話系統(AMPS,Advanced Mobile PhoneAccess),建成蜂窩狀行動通訊系統。蜂窩網的概念也由貝爾實驗室首次提出,並沿用至今。一代行動通訊主要採用的是模擬技術和分頻多重進接(FDMA)技術。原理相對簡單,是將 模擬訊號進行調變/解調,然後通過分配的無線頻率資源進行傳送。 1G 時代的技術引領者,是美國的摩托羅拉公司,他的無線通訊代表產品,就是人們俗 稱的「大哥大」。在 1G 模擬通訊時代,摩托羅拉擁有絕對的霸主地位,佔全球市場份額一度 高達 70%,擁有多項無線通訊技術專利。第一代行動通訊主要代表系統,包括:AMPS、NMT、TACS 等。 中國主要採用的是 TACS(TotalAccess Communications System,改進型總接入通訊 系統)。 中國第一代行動通訊系統於 1987 年 11 月 18 日,在廣東第六屆全運會上正式開通並商 用。這也代表著中國行動通訊行業,「1G」時代的到來。採用模擬訊號傳輸的第一代行動通訊系統有著很多缺陷,比如:通話品質差、訊號不穩定,容易被竊聽等。沒有國際標準,無法實現國際漫遊。

第二代行動通訊系統(2G)

2G 技術的引領者屬於歐洲。1982 年,歐洲郵電管委會提出了 GSM(全球行動通訊系 統)標準。1990 年之後,GSM 成為歐洲乃至世界的第二代行動通訊標準。GSM 採用分時多重進接(TDMA)方式傳輸資料,具有標準化程度、介面開放的特點。GSM 是行動通訊信系統的里程碑,巔峰時期佔據了全世界 85%的市場份額,是 2G 時代的名副 其實的霸主。GSM 資料傳輸速率為上行 9.6kbit/s,下行為 14.4kbit/s。IS-95 IS-95 是北美的數位蜂窩通訊標準,採用分碼多重進接(CDMA)方式傳輸資料,具有容量 大、語音品質好等優點,但由於標準化程度低,市場規模遠不如 GSM 系統。 2G 時代還有個過渡版本——2.5G。為了實現更大的資料傳輸能力,自 1996 年開始, 陸續出現了 GPRS、EDGE 和 IS-95B(後演進為 CDMA1X)等升級技術,被稱作 2.5G。 2.5G 技術是 2G 時代的有力補充,GPRS 資料傳輸速率上行為 9.6kbit/s,下行為 116kbit/s;EDGE 資料傳輸速率上下行均為 384Kbit/s,有力的擔當起了當時的一些多媒體等 應用需求,延長了 GSM 系統的生命週期。

第三代行動通訊系統(3G)

3G 時代到來,行動通訊開始由窄頻走向寬頻。3G 系統與以往系統不同,它是第一個 由 ITU(國際電信聯盟)釋出的國際標準。能夠同時傳送語音、資料、圖文、視訊等多媒體 應用。上行資料傳輸速率 5.76Mbit/s,下行資料傳輸速率可達到 7.2Mbit/s。 3G 系統存在三種標準,分別是 CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。 WCDMA全稱為Wideband CDMA, 是由GSM發展而來,也是由歐洲提出的寬頻CDMA 技術,可以實現在現有 GSM 網路上平滑升級。因此,也成全球應用最廣泛的 3G 標準,曾 佔據全球 3G 系統 80%的市場份額。 CDMA2000 也稱為 CDMA1X,是由美國高通北美公司提出的,這套系統建設成本低廉。 但使用 CDMA 的地區只有日本、北美、韓國等少數國家地區,所以全球應用並不廣泛。 TD-SCDMA 是由中國提出的 3G 標準,1999 年 6 月 29 日,由大唐電信(原郵電部電 信科學技術研究院)向 ITU 提出,具有輻射低的特點,在頻譜利用率、頻率靈活性及成本等方面,具有優勢。 自 3G 開始,中國在世界行動通訊技術領域中,佔據了一席之地。

第四代行動通訊系統(4G)

4G 是當下正在使用的行動通訊技術。 4G 時代被 ITU 承認的 4G 標準有兩個:LTE-Advanced 和 Wireless MAN-Advanced。 2012 年 1 月 18 日,ITU(國際電信聯盟)在 2012 年無線電通訊全會全體會議上,正 式審議通過將 LTE-Advanced 和 Wireless MAN-Advanced 確立為 4G 國際標準。由中國主 導制定的 TD-LTE-Advanced 成為 4G 國際標準。後與 FDD-LTE-Advanced 標準,統一為LTE-Advanced。 採用 LTE-Advanced 的 4G 技術,峰值速率可以達到上行 500Mbit/s,下行 1Gbit/s,有力的支援大頻寬應用。 4G 的高速率傳輸,催生了直播和短視訊等行動端應用的爆發式增長,行動端的應用變得更加豐富多彩,高清視訊、智慧家居、物聯網,日益走進大眾生活。

第五代行動通訊系統(5G)

從 1G 到 4G 發展過程中, 技術的升級主要體現在在速率的提升,以及穩定性、安全 性等指標的提升方面。那麼 5G 會給我們帶來哪些改變呢?當下有一個觀點——「4G 改變生 活,5G 改變社會」。5G 最大的改變就是實現從人與人之間的通訊走向人與物、物與物之間的通訊,實現萬物互聯,推動社會發展。
5G 的意義不只是單純地在手機上,萬物互聯也不僅僅只是一個口號,人工智慧,無人 駕駛等方面都離不開 5G 的高速連線。如果沒有 5G,相關聯的其他產業的發展也會受到制 約,落後於別人。這也是各國重視 5G,爭奪 5G 話語權的主要原因。

5G 的應用場景

2015 年 6 月 ITU 定義的 5G 未來移動應用包括以下三大領域:

增強型移動寬頻 (eMBB):人的通訊是行動通訊需要優 先滿足的基礎需求。未來 eMBB將通過更高的頻寬和更短的時延繼續提升人類的視覺體驗; 
大規模機器類通訊(mMTC):針對萬物互聯的垂直行業,IoT 產業發展迅速,未來將出
現大量的行動通訊感測器網路,對接入數量和能效有很高要求;  高可靠低時延通訊(uRLLC):針對特殊垂直行業,例如工業自動化、遠端醫療、智慧電 網等需要高可靠性+低時延的業務需求。

5G 的關鍵技術

  1. 超密集組網(UDN)
    超密集網路需要由大量的小基站構成,小基站是低功率的無線接入點, 工作在授權的步譜,覆蓋範圍一般為 10m~200m,相比之下,宏基站的覆蓋範圍可達數千 米。常見的小基站又可細分為家庭基站、微微基站、微基站等。
    2 .大規模天線陣列(Massive MIMO 技術)
    傳統的 MIMO 技術在 4G 網路中已廣泛使用。由於 5G 行動通訊系統對傳輸速率的要求 遠高於現有的 4G 通訊系統,傳統的 MIMO 技術已不能滿足 5G 系統的效能要求。Massive MIMO 技術應運而生,為 5G 的高速率傳輸提供了全新的解決方案。它是在收發兩端裝備超大數目的天線,從而在相同的時頻資源塊上,同時服務幾十個使用者。
  2. 動態自組織網路(SON)
    動態自組織網路用於滿足 5G 兩方面的效能要求:低時延、高可靠場景下降低端到端時延,提高傳輸可靠性;在低功耗、大連線場景下延伸網路覆蓋和接入能力。在傳統蜂窩網路架構下,終端必須通過基站和蜂窩網閘道器才能與目標端進行通訊。在這種架構下,終端在獲得資料傳輸服務前必須首先選擇一個服務基站,與服務基站建立並保持連線。
    在動態自組織網路中,任何接入網節點,都具備資料儲存和轉發功能,動態自組網中的每個節點,都具備無線訊號收發能力,並且每個節點,都可以與上一個或多個相鄰節點進行無線通訊,整個自組網呈網狀結構。在動態自組織網路中,任何節點間(終端與終端、終端與基站、基站與基站等)均通過無線通訊,無須任何佈線,並具有支援分散式網路的冗餘機制和重新路由功能。任何新節點(如終端或基站)的新增,只需要簡單的接上電源即可,節點可自動設定,並確定最佳多跳傳輸路徑。
    動態自組網有如下優點:
    部署靈活,支援多跳,高可靠性,支援超高頻寬
    4 .軟體定義網路(SDN)
    其核心思想是將傳統網路裝置的資料平面和控制平面分離,使使用者能通過標準化的介面對各種網路轉發裝置進行統一管理和設定。承上對上層應用提供網路程式設計的介面,啟下提供對實際物理網路網元的管理。
    5 網路功能虛擬化(NFV)
    其核心思想是將軟體與硬體解耦,基於通用計算、儲存、網路裝置實現電信網路功能,提升管理和維護效率,增強系統靈活性。傳統的專用硬體網路及通訊裝置,將逐步虛擬化、軟體化,部署更加靈活,管理和維護成本更低。