5G

第五代蜂窩移動通信

第五代移动通信技术(英語:5th generation mobile networks5th generation wireless systems,簡稱5G)是最新一代移动通信技术,為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]

5G
5th generation mobile network (5G) logo.jpg
3GPP标准的5G标志
規範發布2019年4月 (2019-04)
使用於电信

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。在早期發展時,在4G硬件(非独立)上使用5G NR软件的速度和延迟相較新一代4G系统只擁有約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无线硬件与系统給電信業者的公司有:華為三星愛立信高通諾基亞思科中興大唐電信[7][8][9][10][11][12][13]

概述编辑

 
支援5G通訊制式的智能手機

与早期的2G3G4G移动网络一样,5G网络是數碼信号蜂窝网络,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擬信號在手机中被数字化,由模数转换器转换并作为比特流传输。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),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,頻寬最高可达800 MHz,而4G LTE的頻寬为20 MHz,可以每秒传输更多数据(比特)。OFDM調變技术是利用多个载波在频率信道中进行传输,从而同时并行地传输多个比特的信息。

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
2020年4月,中国移动工程队在珠穆朗玛峰上建造5G基站
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

大氣中的氣體會吸收毫米波,且毫米波比微波輻射的範圍小,因此每個分區可達範圍會有所限制;例如以前的蜂巢式網路的分區可能橫跨數公里,但5G分區大約只有一個街區的大小。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地台。[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,基站计算机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(亦稱「相位陣列」)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區,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鄉區域存在疑问。[14]

新的5G无线设备也具有4G LTE功能,因为新的网络使用4G与蜂窝建立连接,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擴增實境。另一种应用是物联网中快速的机器对机器的交互。例如,道路上车辆中的计算机可以通过5G连续不断地相互通信,也可以连续不断地与道路通信。[16]

規格编辑

下一代行動網路聯盟(Next Generation Mobile Networks Alliance)定義了5G網路的以下要求:

  • 以10Gbps的數據傳輸速率支持數萬用戶;
  • 以1Gbps的數據傳輸速率同時提供給在同一樓辦公的許多人員;
  • 支持數十萬的並發連接以用於支持大規模傳感器網路的部署;
  • 頻譜效率應當相比4G被顯著增强;
  • 覆蓋率比4G有所提高;
  • 信令效率應得到加強;
  • 延遲應顯著低于LTE

下一代行動網路联盟認為,5G應会在2020年陸續推出,以滿足企業和消費者的需求。除了簡單的提供更快的速度,他們預測5G網路還需要滿足新的使用案例需求,如物聯網(網路設備建築物或Web訪問的車輛)、廣播類服務,以及在發生自然災害時的生命線通信。

基地台及覆蓋範圍编辑

基地台類型 部署環境 用戶數量 輸出功率(mW 最遠覆蓋範圍
Femto cell 家用, 商用 4 - 8 (家用), 16 - 32 (商用) 10 - 100(戶外), 200 - 1000(戶外) 數10米
Pico cell 大型購物商場, 機場, 鐵路車站,摩天大樓公共區域 64 - 128 100 - 250 (戶外), 1000 - 5000 (戶外) 數10米
Micro cell 128 - 256 5000 - 10000 (僅限戶外) 100餘米
Macro cell 超出 250 10000 - 20000 (僅限戶外) 數100米
Wi-Fi (對比) 家用, 商用 低於 50 20 - 100 (戶外), 0.2 - 1000 (戶外) 數10米~100米(戶外)

技術創新编辑

5G与4G相比的技術創新如下:[17]

  • 5G將採用512-QAM或1024-QAM更高的資料壓縮密度調變/解調變器,目前4G使用256-QAM或64-QAM的調變以壓縮傳輸資料,因此頻譜效率每Mbps/100MHz的利用效率更高提高更多傳輸速率。
  • 5G將採用28GHz毫米波通訊,比如目前4G使用700MHz、900MHz、1800Mhz、2600Mhz等低頻段,雖然電波繞射能力比較高但是在低頻上頻譜資源就卻相當有限,在高頻的毫米波大多是軍用戰鬥機雷達或測速照相等少數裝置,頻譜寬度更高,而且更容易找到連續頻譜,使空白頻譜非常容易取得。
  • 波束指向配合多輸入多輸出(Multi-input Multi-output;MIMO)相控陣列天線,MIMO多輸入多輸出利用電磁波的空間多工和路徑不同多天線系統提高傳輸速率,類似在軍用領域的技術將延伸出的商用技術版本。
  • 波束自適應和波束成形,能夠提高特定方向的波瓣優化傳輸距離。[18]
  • 新材料將使用GaN氮化鎵或是GaAs砷化鎵材料的RF射頻天線和功率放大器,此材料的RF射頻天線能在更高的頻段有更高的能源效率,裝置会比較省電。[19][20][21]
  • 為了適應工業物聯網無人駕駛汽車、商用無人機等新技術的應用,網路延遲時間將降低到1毫秒以下。[22]

部署编辑

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

由於5G技術將可能使用的頻譜是28GHz及60GHz,屬極高頻(EHF),比一般電訊業現行使用的頻譜(如2.6GHz)高出許多。雖然5G能提供極快的傳輸速度,能達到4G網絡的40倍,而且時延很低,但訊號的繞射能力(即繞過障礙物的能力)十分有限,且傳送距離很短,[23]這便需要增建更多基站以增加覆蓋。

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,日本電信營運商NTT DoCoMo正式宣布將與EricssonNokia、三星等六間廠商共同合作,開始測試凌駕現有4G網路1000倍網路承載能力的高速5G網路,傳輸速度可望提升至10Gbps。預計在2015年展開戶外測試,並期望於2020年開始運作。[24]

2013年5月13日,韩国三星电子宣佈,已成功开发出第5代移动通信(5G)的核心晶片,[25]这一技術预计将于2020年开始推向商业化。[26]该晶片技術可在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技術的传送速度相比,5G技術要快数百倍。透過这一技術,下载一部1GB的高畫質(HD)电影只需十秒钟。2015年诺基亚与加拿大Wind Mobile通訊營運商成功测试5G。在2018年冬季奧運期間,韓國推出了5G試驗網絡,計劃於2020年實行大規模商用。[23]2016年8月3日,澳大利亞電信宣布将于2018年在黄金海岸进行5G试验。[27]

華為2016年4月份宣布率先完成中國IMT-2020(5G)推進組第一階段的空口關鍵技術驗證測試,在5G信道編碼領域全部使用極化碼,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,最終eMBB场景的控制信道方案由極化碼勝出,eMBB场景的数据信道方案由LDPC勝出。[28]

2016年高通公司發表全球首個5G基帶晶片X50,驍龍X50 5G調制解調器使用28GHz毫米波通訊,下行速率達到5Gbps為目前最快的量產形晶片X16使用在S835處理器的1Gbps的5倍之多,X50基帶可能在2018年初量產。[29][30]高通進一步的解釋是,利用毫米波波長短的特點,形成狹窄的定向波束,發送和接收更多能量,從而克服傳播/路徑損耗的問題並在空間中重複使用。此外,在視距路徑受阻時,非視距(NLOS)路徑(如附近建築的反射)能有大量能量以提供替代路徑。按照高通的規劃,驍龍X50 5G平台將包括調制解調器、SDR051毫米波收發器和支持性的PMX50電源管理芯片。[31]

2019年手機晶片厂商聯發科世界行動通訊大會(MWC 2019),展示該公司第一款 5G 數據機晶片M70的傳輸速度,目前正與客戶緊密合作,預期 2020 年市場上將推出搭載聯發科技晶片的 5G 終端設備。[32]

2019年4月3日,韩国于当地时间(UTC+9)23时启动5G网络服务並成為第一個5G國家。三家韓國電信公司(SK Telecom,KT和LG Uplus)在發布當天表示使用5G網絡的用戶已超過40,000。[33][34][35][36]

2020年4月30日,全球海拔最高,位於珠穆朗玛峰海拔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]

实现商用的國家及地区编辑

以下列表均按時間排序

争议编辑

健康問題编辑

自2019年以来,一些团体以健康问题为由,反对部署5G。[41]最終未有证据[42]说服监管机构或专业协会(如:美国国家癌症研究所)或證明5G對人體有害。[43]

間諜活動编辑

美國声称海外間諜可能利用中国的设备而從事間諜活動,力求其盟國禁止使用由中方所提供的5G設備。這個原因說服部分國家停止採購,澳大利亞日本台灣等國家及地區已禁止其運營商在5G網路建设中採購中方設備,例如華為[44][45][46][47][48][49],英国亦僅允许華為有限度參與該國5G建设[50][51]

繼英國決定禁止華為參與5G建設之後,法國當局規定不給購買華為5G設備的電信運營商續簽許可證,由此華為將在2028年前徹底出局法國網絡。跟英國直接宣布禁用華為不同,法國採取了陸陸續續非正式通知運營的方法,讓希望使用華為的運營商知難而退。法國網絡安全機構ANSSI負責人波帕爾(Guillaume Poupard)向《回聲報》記者證實,華為將視具體情況被拒絕,諾基亞和愛立信並不存在這個問題。[52]

2020年7月,英國文化大臣奧利弗·道登(Oliver Dowden)宣佈,英國政府已經決定停止在5G網絡建設中繼續使用華為設備。道登表示,英國政府將從2020年12月31日起停止購買新的華為設備,而英國5G網中現有華為設備須在2027年前拆除。[53]

實際需求编辑

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]

干扰卫星通信编辑

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]

參考資料编辑

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