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一键了解5G的六项关键技术

2020-04-03 16:17:27 来源 : 《中国安防》杂志

随着工信部5G商用牌照的发放,我国正式进入5G商用元年。5G网络作为第五代移动通信网络,具有超高带宽、超多连接、超低时延三大特性。与4G相比,5G的提升是全方位的,支持0.1~1Gbps的用户体验速率,每平方公里一百万的连接数密度,毫秒级的端到端时延,每平方公里数10Tbps的流量密度,500Km/h以上的移动性能和20Gbps的峰值速率。

5G背后的关键技术主要有网络切片、毫米波、小基站、Massive MIMO、波束成形及全双工等。

1.网络切片

网络面向不同的应用场景,大速率、低时延、海量连接、高可靠性等,将网络切割成满足不同需求的虚拟子网络。每个虚拟子网络的移动性、安全性、时延、可靠性,甚至计费方式等都不一样,相互之间逻辑独立,形成“网络切片”。实现网络切片的关键技术是NFV(Network Function Virtualization网络功能虚拟化)和SDN(Software Defined Network软件定义网络)。NFV通过IT虚拟化技术实现网络功能的软件化,并运行于通用硬件设备之上,以替代传统专用网络硬件设备;而SDN实现了网络基础设施层与控制层的分离,从而可对网络进行灵活调配、管理和编程(如图1所示)。

5G的六项关键技术是什么?一文全读懂!

2.毫米波

随着连接到无线网络设备数量的增加,频谱资源稀缺的问题日渐突出。在极其狭窄的频谱上共享有限的带宽会极大地影响用户的体验。无线传输速率的提升一般通过增加频谱的利用率或增加频谱的带宽来实现,毫米波技术属于后者。毫米波指波长在1~10毫米的电磁波,频率处于30GHz~300GHz的区间,大致位于微波与远红外波相交叠的波长范围,因而兼具两种波谱的特点。根据通信原理,载波频率越高,其可实现的信号带宽也就越大。以28GHz和60GHz两个频段为例,28GHz的可用频谱带宽可达1GHz,60GHz的可用信号带宽则可达2GHz。使用毫米波频段,频谱带宽较4G可翻10倍,传输速率也将更快。

3.小基站

毫米波技术的缺陷是穿透力差、衰减大,因此要让毫米波频段下的5G通信在高楼林立的环境下传输并不容易,而小基站将解决这一问题。因为毫米波的频率很高、波长很短,意味着其天线尺寸可以做得很小,这是部署小基站的基础。大量的小型基站可以覆盖大基站无法触及的末梢通信。以250米左右的间距部署小基站,运营商可以在每个城市部署数千个小基站以形成密集网络,每个基站就可以从其它基站接收信号并向任何位置的用户发送数据。小基站不仅在规模上小于大基站,功耗也大为降低。

4.Massive MIMO

4G基站只有十几根天线,但5G基站可以支持上百根天线。这些天线通过Massive MIMO技术形成大规模天线阵列,可以同时向更多的用户发送和接收信号,从而将移动网络的容量提升数十倍甚至更大。正如隆德大学教授Ove Edfors所说,Massive MIMO开启了无线通讯的新方向,当传统系统使用时域或频域为用户之间实现资源共享时,Massive MIMO则导入了空间域的新途径,基站采用大量天线并进行同步处理,可同时在频谱效益与能源效率方面取得几十倍的增益。

5.波束成形

Massive MIMO技术为5G大幅增加容量的同时,其多天线的特点也势必会带来更多的干扰,波束成形是解决这一问题的关键。通过有效地控制这些天线,使它发出的电磁波在空间上互相抵消或者增强就可以形成一个很窄的波束,从而使有限的能量集中在特定方向上传输,不仅传输距离更远,而且还避免了信号的干扰。波束成形还可以提升频谱的利用率,通过这一技术我们可以同时从多个天线传输更多的信息。对于大规模的天线基站群,我们甚至可以通过信号处理算法计算出信号传输的最佳路径和移动终端的位置。因此,波束成形可以解决毫米波信号被障碍物阻挡、远距离衰减的问题。

6.全双工

5G的另一大特色是全双工技术。全双工技术是指设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作,使得通信的两端同时在上、下行使用相同的频率,突破了现有的频分双工(FDD)和时分双工(TDD)模式下的半双工缺陷,这是通信节点实现双向通信的关键之一,也是5G所需的高吞吐量和低延迟的关键技术。

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