5G简介-天津工业职业学院

1. 简介

自从人类社会诞生以来，如何高效、快捷地传输信息始终是人类矢志不渝的追求。从文字到印刷术，从信号塔到无线电，从电话到移动互联网，现代科技发展速度一直取决于信息传播速度，新的信息传播方式往往会带来社会天翻地覆的变化。5G就是最新的移动通信浪潮中现阶段进展。

5G是第五代移动通信系统(5th generation mobile/wireless/cellular system）的简称，是4G（LTE/WiMax）之后的新一代移动通信系统。

2. 前置知识

国际通信标准

通信是一种双向行为，收发双方需要事先约定传输方式才能完成顺利完成数据交互。在混乱的移动通信早期，基站和手机厂商可能因为国别的不同，采用不同通信制式，因此当时各国的手机设备难以通用，国际漫游成本高昂。为了国际通信方便，各国厂商需要统一制式，这就是国际通信标准的诞生。

标准化组织

在标准设计早期，为了定义标准所需要解决的问题，隶属于联合国的ITU（国际电联）需从各地区的工作小组和论坛中搜集整理需求，发布此次通信的设计目标，并收集技术建议，负责最终评估。而ITU并不参与具体标准制定，其中具体的技术工作主要是由另外的一些行业标准化组织完成，比如3GPP和IEEE。

4G时代，3GPP主导了LTE等标准（我们目前使用的4G技术），IEEE主导了WiMax等标准（曾经在日本，台湾商用）。目前5G的主要标准化工作由3GPP完成。5G的标准进展需要看3GPP的时间表, 目前5G被分为两个阶段：Release 15和Release 16，被称作New Radio (NR)。

Release 15就是目前的5G第一个版本。

图片来自ng-voice

新一代通信技术是需要提升数据传输速度的，那么怎么做呢？

如何提升数据传输速度

任何对通信数据传输速率的提升都绕不开香农信道容量公式：

那就很容易理解咯，我们在5G也会采用同样的方式来提高数据传输速率: 提升频带宽度和提升信噪比。

3. 目标

在设计5G的场景和目标时，ITU直接采用了中国IMT-2020推进小组的两个场景(mMTC和URLLC），并归纳了eMBB，因此这些场景是：

· 增强型移动宽带(eMBB，Enhanced Mobile Broadband),

· 大规模机器通信(mMTC, Massive Machine Type Communications)

· 超可靠和低延迟通信(URLLC, Ultra-Reliable and Low Latency Communications).

来自ITU-R的图可以说明它们的不同，

来自ITU-R

手机，视频，日常工作属于eMBB，智慧城市，物联网的机器规模巨大属于mMTC，车联网需要低延迟高可靠性属于URLLC。

来自ITU-R

对比4G，峰值速率从1Gbit/s提升到20Gbit/s，用户可以体验到的带宽从10Mbit/s提升到100Mbit/s，频谱利用效率提升3倍，可以支持500km/h的移动通信，网络延迟从10ms提升到1ms，连接设备数每平方公里从从100000个提升到1000000个，通信设备能量利用率提升了100倍，每秒每平方米数据吞吐量提升了100倍。

频谱

请回顾之前提到的提升频谱传输速率方式。为了实现5G中提出的速度目标，至少需要两种频谱：主频谱和毫米波频谱。实际上，在华为发布的的频谱建议中，建议划分三段频谱给5G，这三段频谱分别是:

· 2~6GHz (C-band), 用以作为主频谱使用，兼顾覆盖和数据传输，也被称作sub6G频谱。

· 6GHz以上 (比如24~29GHz,37~43.5GHz)，用于处理特殊场景，用作超快数据传输。

· 2GHz以下( 比如700MHz), 用于广域覆盖和室内场景覆盖。

来自5G SpectrumPublic Policy Position from Huawei

4. 与4G的对比

大概可以理解为传输速率快，传输延迟低。

具体起来就是，

毫米波(提升频带宽度)

更先进的波束赋形(提升信噪比)

超大规模天线，全双工无线(提升频带宽度和信噪比，空域)。

毫米波

1-4代无线通信中采用的300MHz-3GHz频谱有穿透性好，覆盖范围大等优点，但是有一个很重要的缺点： 就是频带宽度太窄了！！这个频段内的无线设备太多了！！频谱已经快分完了。

频谱又不存在负的，所以为了大容量高速率数据传输，只有往3GHz以上寻找可用频谱。

我们往上看看，那就是毫米波频段了(3GHz-300GHz)。毫米波频谱中存在两个特殊部分，氧气吸收频段(57-64GHz)和水蒸气吸收频段(164GHz-200GHz), 这两种频段不能用来通信，所以毫米波频段共有252GHz频带宽度可供使用 (此处应该再强调一下1-4代商用通信全都拥挤在3GHz以下频谱里)。

当然实际上5G是用不了那么多频带的，在各国毫米波频谱划分里，分给5G的毫米波频段宽度大概有3-6GHz，这已经足够把数据传输速率提升10倍左右了。

不过需要强调的是，5G标准需要三种频段，毫米波频段主要负责高速数据传输，目前毫米波的标准还未确定。虽然毫米波已经在雷达，航天和军用通信中都有使用，但是在民用通信中还有很多很多挑战。。这也是当前非常非常火热的无线通信研究方向，在这篇回答里就不深入介绍了。

更先进的波束赋形

4G中的基站天线是定向天线和全向天线混用(谢谢评论区提醒)，5G中由于毫米波覆盖范围窄，路径损耗大，复杂天气影响严重，所以需要通过波束设计完成发射能量聚焦，从而提升接受信号能量，提升信噪比(此处请回忆信道容量公式)，和覆盖范围。

波束赋形后的方向性波束可以帮助提升基站覆盖范围。而且，基站能量会更加有效。

实际上，由于5G中的波束赋形涉及Massive MIMO和毫米波的窄波束用户追踪、小区间波束切换调度和基站的LOS和NLOS问题，会更加困难一些，这同样这是一个很棒的无线通信研究方向。现在学术界很多人在考虑通过在基站覆盖范围内划分扇区，来帮助多天线波束切换。

Sectorized Antenna

超大规模天线（Massive MIMO）

无线通信中的多天线系统需要对每个天线赋予权重，才能提高空间分集/或复用增益。而现实情况下，这种算法是非线性的且计算复杂，天线越多越复杂。

但是令人惊奇的是，当天线数目非常非常多的时候，简单的线性预编码就可以很好的逼近最优结果。所以Massive MIMO自从提出就吸引了大量目光。

Massive MIMO test bed

5G中Massive MIMO可能会有大量应用，不仅仅是大型宏基站，小型的毫米波发射器也有可能会装备Massive MIMO系统，因为毫米波天线波束窄，天线长度短，更适合Massive MIMO应用。

回到话题，Massive MIMO的好处是最大程度利用空域资源，可以通过波束赋形同时提供多个波束服务小区用户，并可以同时提高用户的信噪比，提升数据传输速率。但是Massive MIMO中预编码，信道估计一直是个难题。

全双工无线电(目前不在Release 15中)

现存所有无线发射装置都是半双工的，半双工的意思是发送信号的同时不能接受信号---否则会干扰自己。（毕竟不是人类，自己说的话暂时还区分不清楚。。。。）

全双工无线电就是同时收发信号，这样可以把数据传输速率X2，当然代价是图中的自干扰(红色圆弧)问题，甚至当用户过多时，用户之间的干扰也会X2。5G里的核心网设计是以C-RAN为主，这意味着可以通过中心化调度减轻自干扰，同时可以利用方向性天线，波束赋形，吸收屏蔽(absorptive shielding）和交叉极化(cross-polarization )完成收发机之间的孤立。

这样全双工无线电是可以应用在5G中的。

上述就是5G中的物理层技术进展，联合起来使用，也就是怎么做到“传输速度快”的。

传输延迟低

我们这里说的延迟是round-trip latency，大概可以理解为数据在接入网和核心网中往返所需的总时间。因为无线电的传播速度是相对固定的，无法压缩，所以有两种方法降低：降低信令损耗和压缩网络处理过程。

降低信令损耗的方式就是尽量减少不必要的信令，比如

· 通过全双工技术减少信道估计时间，

· 因为毫米波的多普勒扩展很少，所以可以缩减OFDM信号的CP前缀，压缩OFDM帧长度，

· 通过网格化设计毫米波基站，降低干扰和时延

压缩网络处理，形象理解就是扁平化公司等级，把决策权力下放。这样“向上汇报”次数少了，就会显著降低网络中不必要的开销。这其它答主也有提到。

标准的压缩核心网方式，就是“不经过不必要的处理单元”，换句话是控制结构和数据传输结构分离。当然现在还有很多其他的解决方案。

一种比较好的压缩网络结构思路是现在学术界很火热的“fog computing”雾计算，就是把一些重复性计算工作下放，用无线接入端（基站等）做计算处理单元，这样就可以当做一种另类的“计算缓存”，大大降低网络延迟。

另外一种就是非常正统的，当然也是非常热的研究方向"wireless caching”无线缓存，这种思路是缓存内容，以降低传输延迟。

fog computing

这些就是5G中的延迟部分进展，主要是MAC层技术，大概在讲怎么有效调度资源，怎么降低时延。

5. 与WiFi的关系

当然，作为用户来讲，我自己最直观的体验是WiFi比xG要便宜很多，如果我们忽略有线宽带和路由器费用，甚至可以认为用WiFi连接互联网是免费的。然而大部分情况下，价格只能反应一部分技术因素。如果把一个小小的家庭网络，扩展到全国和世界范围就是xG。不过这个大范围和小范围之间，还有很大的区别。

为了简单描述这两者的不同，我们需要先从需求说起。

需求区别

竞争性

就WiFi和xG来说，技术上，他们的区别有点类似区域自治和中央集权，这种思路导致了大部分WiFi节点都是私人(或者公司，或者城市)建设，而xG基站是运营商在全国建设。

换句话说，就是在无线信号传输过程中，因为各个私人路由器之间没有交流且共享相同频谱，所以WiFi的数据传输是竞争性的，而xG的数据传输是非竞争的，有中心化资源调度的。

这大概就像公路和铁路，开车出门上路，我们不知道下一个路口会不会突然出现一长串闪着红色尾灯的各种汽车堵在前面；而铁路就不会有这种困扰，前方多远有车，最高可以跑多快都有中心调度系统告诉司机。

私密性

同时，一般意义上，WiFi连接的是私人有线宽带，而xG的基站连接的是运营商的骨干网，因此，WiFi普遍会有私密性要求，不能未经许可随意接入。

(不能白看，也不能白... （:

移动性

因为WiFi连接的是私人有线宽带，私人宽带接入点固定，同时宽带是有线的，它不会到处乱跑。这意味着WiFi对移动性需求很低，覆盖范围小，一般只用考虑步行速度对信号传输的影响，不考虑小区切换，而xG的基站存在很高的移动性和小区切换需求(基站覆盖范围称为小区)，需要考虑比如汽车，火车等高速物体。

除非汽车本身有个WiFi，不然应该是没有人在汽车上一直连着WiFi的吧？目前WiFi有WDS模式，但是还是不如运营商的小区切换成熟。

这样的竞争/非竞争，私密性和移动性要求会带来一系列从功能，技术到覆盖，接入，频谱，速度等等的不同。

技术区别

1.频谱/接入

频谱或许是竞争性最直接的导火索。

WiFi使用的频谱(2.4GHz/5GHz) 是非授权频谱，就是说这段频谱并未分配/拍卖给个人或公司，任何人/企业都可以用自己的WiFi设备随意接入。xG使用的频谱是授权频谱，除了获得该频谱的运营商，其他人都无权使用此频谱。

所以，现在大家一打开手机WiFi，就会立即看到很长很长的无线列表，大部分都是2.4GHz路由器。这意味着此频段非常拥堵，可能存在非常多的noise-like interference 。

这段的意思是，如果其他技术相同，此频段的手机，WiFi信噪比会比较低，这会导致WiFi信号覆盖范围缩小，传输速率较慢。因此，目前WiFi协议都在扩展5GHz，60GHz等等干扰较低的频段。

有辣么长的列表，而WiFi的频段是有限的，一定会产生信道资源竞争。所以，WiFi最核心的空口协议是CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）。它的具体做法是发送前对信道做检测，如果信道忙碌，那么等一个随机时间再发送。但是检测不是实时的，所以依然有可能存在两个路由一起检测到空闲频谱，同时发送数据，这时候就产生了碰撞问题，会采取重传的方式再次传输。

CSMA/CA

而xG中，因为接入信道是由基站分配的，而且在分配算法中会考虑干扰因素，所以相比较之下，技术相同的基站覆盖范围会大。同时，xG在信号传输之前，已经被基站分配了专属“线路”，所以不需要发送前信道检测，对碰撞重传的要求也很低。

另外一个有关接入的显著不同是，因为运营商需要全地点接入，所以xG是不存在密码的，它们采用SIM卡中的身份识别，通过收费网关收费。而私人WiFi通常是需要密码的。

2. 覆盖，WiFi组网和移动通信网络

上文说到了WiFi的覆盖范围一般都会很低，相比较之下基站会因为发射功率高，频段干扰低，所以覆盖范围大的多。

因为网络速度可能会受太多因素影响，所以这部分不讨论WiFi和xG的速度问题，实际上上这两者谁比谁快都是有可能的。

但是比如公司大楼，如果想要扩大WiFi覆盖范围，以方便服务公司员工。这种情况下，单个无线路由器肯定是不行的，覆盖公司大楼的单个无线路由器一定会超过国家规定的无线电发射功率，所以需要多个路由器联合组网，比如一个无线路由器负责一个房间，同时其他路由器采用同样的名称，并相互协作，这样形成整个大楼的无线网络。

我们都知道，单节点决策的系统是最高效的系统。也就是说，如果无线网络中，如果存在多节点协作，最有效率的方式是有一个全网络的控制器，来帮助各个路由器调度和分配时/空/频谱资源。

在WiFi网络(WLAN)里, 就是把家庭路由器中集合一体的AP(Access Point，接入点)和AC（Access Controller，控制器)分离。用AC控制全网，并分配资源。

如下图：

那么如果再扩大一点呢？

上升到全国范围，单个AC显然数据处理速度是不够的，那么每一个区域需要一个类似的AC，并且各个AC之间也需要协同工作，互通有无。这就形成了无线核心网(Core Network)。

而各个AP就形成了无线接入网(Radio Access Network)。

运营商的移动通信网络，主要由核心网和接入网两部分组成。

如下图，这样与无线路由器组网(WLAN)是不是就很像了？

5G 网络结构

从单路由，到公司级的多路由组网，到全国级的基站覆盖，这大概就是WiFi和xG之间的区别和联系。

6. 2019年可能进展

5G中涉及的角色很多，这里还是从标准、运营商、设备商和终端商的角度分别来说吧。

标准

为了考虑与4G的兼容性，5G分为两种演进组网方式: Non-standalone (NSA，非独立组网）Standalone (SA，独立组网）。NSA的实现方式是通过4G现有网络来辅助5G小范围建设，并逐渐演进至完整的5G网络。SA的意思是直接独立建设5G网络。

其中NSA会有利于利用现有4G网络，可以节省开支，并能将5G更快推向市场；但是这样实现的5G功能和指标都是受限的。

SA会避免与4G网络整合过程中的互操作问题，但是初期成本高，部署时间长。

不过显然，5G初期运营商对NSA模式的兴趣是最大的；大家短时间能体验到的应该都会是以NSA形式实现的5G网络。

图来自testandverification

因此，Release 15也被划分为三个版本，每个版本中定义了不同的内容，分别为NSA版本，SA版本和late drop版本。

那么3GPP的时间表是怎么样的呢？

时间表

2017年12月，3GPP完成了 Rel15 NSA版本；2018年6月14日，3GPP发布了Rel15 SA版本，而2018年底，为了保证5G第一次部署工作的稳定和兼容性，3GPP决定推迟Rel 15 late drop版本。

因此，2019年标准部分即将完成的工作是Rel 15 late drop和Rel 16 RAN1。以下将简单解释它们的内容。

对比原始时间表：

2019年中，即将完成的Rel 15中的late drop版本涉及的问题是补全NSA模式中的一些细节场景：NR到NR的双向连接(NR-NR dual connectivity)。我们可以看到，上一个NSA图中，5G NR主要通过LTE网络做数据连接和控制，并没有接入5G核心网。

而NR-NR dual connectivity的意思如下图图示：

late drop其中涉及的4种组网场景

而Rel 16 RAN的主要工作是无线接入网(RAN）。概念上说，它用来提供设备和运营商核心网络之间的通信连接，广泛布置的基站就是无线接入网的代表。Rel 16 即将讨论的工作主要涉及（来自诺基亚）：

非正交频分复用，非地基无线接入（比如卫星等），车辆网无线增强，非授权频谱等等。具体的可以看下图。

其中需要提及5G中的三大场景：eMBB(enhanced MobileBroadband)增强移动宽带，mMTC (massive Machine Type Communications)大规模物联网，URLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communications)高可靠低时延。

· eMBB场景标准化工作已经完成。

· mMTC场景今年可能不会有进展：3GPP已经向ITU提议，其在4G LTE阶段所制定的NB-IoT和eMTC可以满足ITU对5G物联网的需求，进行了大量的评估研究。GSMA在去年5月16日发布了一份新报告《5G环境下的NB-IoT和LTE-M》(NB-IoT and LTE-M in the 5G context)，重点提到NB-IoT和LTE-M等授权移动物联网(IoT)网络将在5G未来发挥的不可或缺的作用，特别是在“大规模物联网”开发方面。

· URLLC将是Rel 16的重点讨论课题。可能又会有一场龙争虎斗。

这就是是19年5G标准化工作可能的进展。

运营商

中国的5G实验应该是全球最大的区域性5G试验，主要分为2个阶段：5G技术研发试验和5G产品研发试验。

图片来自IMT-2000推进组

目前大多数运营商和设备商都正在进行系统验证和应用演示，主要目标是统一环境，开始单系统、单终端，组网和操作测试，同时开始5G经典应用试验。所以大家前一段时间可以看到很多典型场景的应用新闻。

上图中的Step3，图片来自IMT-2000推进组

2018年年初就运营商们已经在怀柔已经建设了超过100个基站，包括3.5GHz，4.9GHz，26GHz，39GHz和2.1GHz频段，是全球最完整的5G室内外一体化网络。

目前正处于5G典型应用演示与验证阶段，中国移动与当地政府合作，验证5G分级自动驾驶体系在公交方面的应用，目前在成都BRT的项目，通过跟成都公交公司集团的合作，解决目前公交车的节能、安全、准点的问题。

2018年12月5日，全国首条5G环线在成都正式开通，全国首辆5G公交开通试运行，在全国率先实现5G外场试商用。在时速40公里的公交车上，5G网络实时峰值速率达到了2375mbps，这意味着短短几秒即可完成一部蓝光电影的下载。

中国移动的智能移动医疗车可提供多种应用。例如，远程操控类，以远程超声检测为例，通过5G+机械臂的结合，基于触觉交互反馈系统，真正实现远在千里之外的医生对病人进行相关的检测。

目前中国联通的5G组网计划是，2019年完成组网验证，网络规划和试商用：

不过总的来说，我国4G建设刚刚完成不久，现在启动5G，运营商会面临巨大的成本压力。而且现在更新5G网络，在短暂的5G高费用之后，流量会加速贬值，运营商可能会进一步被互联网企业挤压生存空间，沦落为管道商。

所以，目前国内电信运营商的动力没有4G时候那么充分。

预计2019年，5G将会开始进入城市规模组网测试阶段。中国移动，联通，电信都将会建设城市级别的预商用/实验性网络。

设备商

上一段中有提到目前运营商和设备商都正在进行系统验证，不仅仅是运营商要实验设备，设备商也需要开发新型基站来满足5G需求。在Step1的关键技术验证和Step2的技术方案验证中，各个设备商的表现参差不齐（2016年的数据）。

以上数据至今已过2年，有点过时了，不过也能管中窥豹看出一点设备商的端倪。

2018年中的IMT2000会议上，华为表示自己已经能够提供端到端的商用产品及解决方案：

华为已经在全球部署50+预商用网络：

大唐已经发布了一些5G商用产品，包含基站，BBU等：

三星即将在2019年发布核心网，基站等产品。

不过总的来说，5G系统的设计更加复杂，壁垒进一步提升，而天线、基站设计越来越难，因此设备商的地位其实是大大提升了的。很多小型厂商会面临技术壁垒挑战，设备商的技术垄断可能会在2019年越来越明显-----可能有些厂商压根就做不出来，或者做出来了也太贵。

总的来说运营商和设备商的供求关系可能会发生改变，招标权利可能会转移到设备商。

综上所述，2019年将会是设备商发力抢占市场的一年，会根据Rel 16的发布同时调整自己的产品线，华为可能目前是领先者。

终端商

在5G初期，终端商还不是主角，因此2019年各大终端商可能只是会发布新一代的5G手机。在这里只谈谈有能力做出5G SoC的几家公司吧。

高通，华为，三星，英特尔，联发科。

先给出进展：

2016年10月，高通率先发布骁龙X50外挂式5G基带芯片,采用28nm制造工艺，支持毫米波和sub-6G频段, 并于MWC2017，同年10月, MWC2018上分别公布改进方案，支持2G/3G/4G/5G多模式, 并公布手机样机和包括天线，射频模组在内的5G解决方案。今年10月又缩小了尺寸...但是，据公开资料，制造工艺依然没有升级, 采用28nm 工艺。

2017年，英特尔发布了首款XMM8060外挂式5G基带，并在今年11月公布了升级版XMM8160，支持2G/3G/4G/5G多模式，同时支持毫米波和sub-6G频段，不过预计于19年中期发货。

2018年2月，华为发布了巴龙5G01，这是号称第一款完全符合3GPP标准的5G商用基带，不过因为尺寸过大，并不能给手机使用，同时这也不是多模基带，必须配合4G基带一起使用。在华为的规划中，还未发布的巴龙5000是给5G手机使用的基带芯片，不过目前并没有什么消息透露出来。

2018年8月15日，三星推出了Exynos Modem 5100，据报道这是业内第一款完全兼容3GPP Release 15规范，支持2G/3G/4G/5G多模式，同时支持毫米波和sub-6G频段的芯片，支持8载波聚合，预计今年年底出货，这款基带处理器采用10nm工艺制程。

2018年10月，高通还改进了X50的尺寸，它变得更小了。

2018年，联发科推出其首款 5G基带芯片M70，该基带芯片预计要到 2019年年初或年中商用。