5G

5G
5th generation mobile network (5G) logo.jpg
3GPP标准的5G标志
规范发布 2019年4月
使用于 电信

第五代行动通讯技术(英语:5th generation mobile networks5th generation wireless systems,简称 5G)是最新一代行动通讯技术,为 4GLTE-AWiMAX-ALTE)系统后的演进。5G的效能目标是高资料速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模装置连接。5G 第一个演进标准 3GPP Release 16于2020年7月3日完成,主要新增了超级上行技术、补充超高可靠低延迟通讯和大规模机器类互联两大应用场景,并进一步提升能效和使用者体验。,2021年12月高通联发科技发布支援Release16的基频产品。GSM 协会预计到 2025 年全球 5G 网路将会覆盖超过 17 亿人。

3GPP预计2025年左右商用3GPP Release 18(5G - Advanced)标准,预计实现提供20Gbps的下行速率与10Gbps的上行速率。

跟前几代技术类似,5G 网路属于蜂窝网,它将服务地区根据地理位置分成一个个更小的蜂窝。蜂窝里的 5G 无线装置使用无线电波通过蜂窝里的本地天线来连接网际网路和电话网。新一代通讯技术的主要优点在于,在增强型移动宽频 (eMBB)的场景下通过更大的频宽支援更快的下载速度(最终可支援20Gbps)。除了速度变快之外,得益于 5G 更大的频宽,在人员密集区域支撑更多的装置,进而提高网路服务品质。但是单纯4G手机并不能使用新的网路。

目前,提供5G解决方案给电信业者的公司有:诺基亚爱立信三星高通思科华为中兴大唐电信[2][3][4][5][6][7][8]

概述

支援5G通讯格式的智慧型手机

与早期的2G3G4G行动网路一样,5G网路是数位讯号蜂巢式网路,在这种网路中,营运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。表示声音和图像的类比讯号在手机中被数位化,由模数转换器转换并作为位元流传输。5G无线装置通过射频与蜂窝基地台的天线阵列和自动收发器发射机接收机)进行通讯。收发器使用电信业者分配的频段进行通讯,这些频段在地理上分离的其他蜂窝中可以重复使用。基地台通过高频宽光纤或无线回程连接与电话网路网际网路连接。与现有的手机一样,当使用者从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时,他们的行动装置将自动无缝切换到新的蜂窝中。

应用领域

在ITU-R已经定义了5G的增强功能三个主要的应用领域。它们是增强型移动宽频 (eMBB)、超高可靠低延迟通讯 (uRLLC) 和大规模机器类互联(mMTC)。[9] Only G在Release15时代仅部署了eMBB,uRLLC和mMTC还需要一段时间发展不部署。[10]


增强型移动宽频 (eMBB)作为 4G LTE移动宽频服务的演进技术,具有更快的连接、更高的吞吐量和更大的容量。也是5G的主要应用场景。

超高可靠低延迟通讯 (uRLLC) 是指将网路应用在需要不间断和稳定资料链结的关键任务场景,满足场景对于无线通讯网路的超高可靠性和低延迟的要求,提供低于1毫秒空口延迟的可靠无线通讯连接。

大规模机器类互联 (mMTC) 将用于大量装置的互联通讯。5G 技术将为500 亿个联网物联网装置中的一部分提供服务。通过 4G 或 5G 控制的无人机对于灾难恢复工作能提供很大的帮助,为紧急救援人员提供即时资料。大多数汽车将有许多服务通过 4G 或 5G 蜂窝连接。自动驾驶汽车不需要 5G,因为它们必须能够在没有网路连接的地方执行。然而,大多数自动驾驶汽车还具有用于完成任务的远端操作功能,而这些都极大地受益于 5G 技术。虽然已经有远端手术通过 5G 进行,但大多数远端手术在具有光纤连接的设施中进行,有线连接通常比任何无线连接更快、更可靠。

5G技术使用毫米波等更高频率无线电波和载波聚合来实现更高的资料速率,而以前的蜂巢式网路使用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,虽然带来了速度提升与体验的改进,但是速度提升不会像新使用的频段带来那么客观的改进。由于毫米波频段的频宽更为丰富,5G网路中将使用更宽的频道与无线装置进行通讯,在应用载波聚合的情况下频宽最高可达1000 MHz,使用Sub-6Ghz也可以达到300Mhz,而4G LTE在应用5路载波聚合的情况下频宽,为100Mhz,差距甚远。与4G LTE一样,使用了OFDM调变技术,利用多个载波在频率频道中进行传输,从而同时并列地传输多个位元的资讯。

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,因此每个分割区可达范围会有所限制;例如以前的蜂巢式网路的分割区可能横跨数公里,但5G分割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。[11]毫米波天线比以前的蜂巢式网路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,而不是一个基地台塔或基地台。[12]另一种用来提高资料传输速率的技术是大规模MIMO技术。[11]每个蜂窝将有多个天线与无线装置进行通讯,每个天线通过一个独立的频道,由装置中的多个天线接收,这样多个资料将同时并列传输。在一种称为波束赋形的技术中,基地台电脑将不断计算无线电波到达每个无线装置的最佳路径,并将组织多个天线以相控阵(亦称「相位阵列」)的形式协同工作,产生到达装置的毫米波束。[11][12]更小、更多的蜂窝使得5G网路基础设施比以前的蜂巢式网路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使用者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。[11]

5G的高资料传输速率和低延迟被认为在不久的将来会有新的用途。[13]一种应用是实际的虚拟实境扩增实境。另一种应用是物联网中快速的机器对机器的互动。例如,道路上车辆中的电脑可以通过5G连续不断地相互通讯,也可以连续不断地与道路通讯。[13]

规格

下一代行动网路联盟(Next Generation Mobile Networks Alliance)定义了5G网路的以下要求:

  • 每平方公里最多可支援 100 万台装置;
  • 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;
  • 支援数十万的并发连接以用于支援大规模传感器网路的部署;
  • 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

基地台及覆盖范围

基地台类型 部署环境 输出功率(mW 最远覆盖范围
Femto cell 家用, 商用等私人领域 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 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 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 10000 - 20000 (仅限户外) 数100米
Wi-Fi (对比) 家用, 商用 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:[14]

  • 支援512-QAM或1024-QAM更高的资料压缩密度调变/解调变器,目前4G使用256-QAM或64-QAM的调变以压缩传输资料,因此频谱效率每Mbps/100MHz的利用效率更高。
  • 新增24-52GHz的毫米波频段进行通讯,比如目前4G使用700MHz、900MHz、1800Mhz、2600Mhz等低频段,虽然电波绕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装置,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取得。
  • 多输入多输出(Multi-input Multi-output;MIMO)MIMO多输入多输出利用电磁波的空间多工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。[15]
  • 载波聚合(Carrier Aggregation)FR1定义的最大频道宽度为100Mhz,FR2定义的最大频道宽度为400Mhz,通过双载波聚合可以分别拓展到200Mhz和800Mhz。
  • 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,装置会比较省电。[16][17][18]
  • 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,网路延迟时间将降低到1毫秒[19]

部署

由于5G技术使用的毫米波(FR2)频段是属于极高频(EHF),比一般电信业现行使用的频谱(如2.6GHz)高出许多。虽然毫米波能提供极快的传输速度,能达到4G网路的100倍,而且时延很低,但讯号的绕射能力(即绕过障碍物的能力)十分有限,且传送距离很短,这需要增建更多基地台以增加覆盖或者使用FR1频段进行部署。

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年使用者会享受到20Gbps的商用5G行动网路。2014年5月8日,日本电信营运商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网路1000倍网路承载能力的高速5G网路,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。[20]

2013年5月13日,韩国三星电子宣布,已成功开发出第5代行动通讯(5G)的核心晶片,[21]这一技术预计将于2020年开始推向商业化。[22]该晶片技术可在28GHz超高频段以每秒1Gb以上的速度传送资料,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的高画质(HD)电影只需十秒钟。2015年诺基亚与加拿大Wind Mobile通讯营运商成功测试5G。在2018年冬季奥运期间,韩国推出了5G试验网路,计划于2020年实行大规模商用。[23]2016年8月3日,澳洲电信宣布将于2018年在黄金海岸进行5G试验。[24]

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频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场景的控制频道方案由极化码胜出,eMBB场景的资料频道方案由LDPC胜出。[25]

2016年高通公司发表全球首个5G基频晶片X50,骁龙X50 5G数据机使用28GHz毫米波通讯,下行速率达到5Gbps为目前最快的量产形晶片X16使用在S835处理器的1Gbps的5倍之多,X50基频可能在2018年初量产。[26][27]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平台将包括数据机、SDR051毫米波收发器和支援性的PMX50电源管理晶片。[28]

2019年手机晶片厂商联发科世界行动通讯大会(MWC 2019),展示该公司第一款 5G 数据机晶片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晶片的 5G 终端装置。[29]

2019年4月3日,韩国于当地时间(UTC+9)23时启动5G网路服务并成为第一个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网路的使用者已超过40,000。[30][31][32][33]

2020年4月,中国移动工程队在珠穆朗玛峰上建造5G基地台

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基地台投入使用[34]

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[35]


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。[38]最终未有证据[39]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。[40]

间谍活动

美国声称「海外间谍可能利用中国的装置而从事间谍活动」,要求其盟国禁止使用由中国提供的5G装置。这个原因说服部分国家或地区停止采购,澳洲日本台湾等国家及地区已禁止其运营商在5G网路建设中采购中方装置,例如华为[41][42][43][44][45][46],英国亦仅允许华为有限度参与该国5G建设[47][48]

继英国决定禁止华为参与5G建设之后,法国政府规定拒绝购买华为5G装置的电信公司续签许可证,由此华为将在2028年前彻底登出法国电信网路。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的方法,让希望使用华为的电信公司知难而退。法国网路安全机构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。[49]

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网路建设中继续使用华为装置。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装置,而英国5G网路中现有华为装置须在2027年前拆除。[50]

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。」[51]

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。」[52]

干扰

由于5G和部分卫星通讯同样会使用C波段,加上地面上的5G讯号强度要明显高于卫星讯号,可能导致5G讯号干扰卫星讯号的情况。针对这一情况,市面上已有面向卫星使用者的滤波器,可减少5G讯号带来的干扰。[53]

2020年底,美国航空无线电技术委员会(RTCA)发布报告,指美国联邦通讯委员会将开放给5G的3.7~3.98 GHz C波段,与飞机上降落时测量离地距离的无线电高度计所使用之4.2~4.4 GHz频率可能会发生干扰,同时也可能会干扰航空所使用的相关电子装置,造成飞航安全问题[54]。2022年1月,因新开放的波段影响,多个航空公司取消飞美国的一些航班[55]。美国两大行动电信公司AT&T威讯表示会暂缓启用机场周边5G的新波段,并设立缓冲区;其他国家因开放的频段与4.2~4.4 GHz相隔较大,尚无造成飞航影响[56]

传讯距离

3G和4G传讯距离皆比5G能来的更远,由于5G使用的频率较高的关系,让讯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基地台,可以减缓这传送范围小的问题,原本3G和4G网路可以相距较远地架设基地台,但由于5G网路传送范围小,则需要更密集地架设基地台。 5G在相比4G使用更高密度调变(高达1024QAM)以及更高频率(特别是毫米波波段)的情况下,绕射与抗干扰能力下降导致传输距离不如4G,需要更大密度的架设基地台来弥补服务品质。


参考资料

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