而下一代通信技术5G就是在此背景下诞生的,但是5G究竟是什么呢

今天上午 8 时,工信部正式发布 5G
商用牌照,中国成为继韩国、美国、瑞士、英国后第五个实现 5G 商用的国家。

随着视频内容的爆发,如今的移动用户已经不再满足现有的上网速度,希望电信商能够提供更快的数据传输速度、以及更可靠的网络服务,而下一代通信技术5G就是在此背景下诞生的。虽然现在5G还处在规划阶段,但是整个行业都在共同努力,希望能够确定5G的最终形态。但是这个行业的所有参与者都必定同意这一点:随着移动用户数量及其需求的上升,5G必须比如今的蜂窝网络基站更快地处理更多的流量。

5G 究竟是什么?它将为我们的生活带来怎样的变化?

为了实现这一点,无线通讯的工程师正在设计一套全新的技术。利用这些技术,5G数据传输的延迟将不超过1毫秒(相比之下,今天的4G网络的延迟约为70毫秒),而且数据下载的峰值速度将可以高达20Gb/s。

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目前还不清楚,从长远来看哪些技术将是5G中最关键的,但是已经有一些早期技术脱颖而出。这些技术包括毫米波、小基站、Massive
MIMO、全双工以及波束成形。

图片来源:Pixabay

今天的无线网络遇到的非常重要的一个问题就是:越来越多的人和设备正在消耗比以前多得多数据,但是他们依旧拥挤在电信公司一直使用的与无线电频谱相同的频段上。这意味着每个人被分配到的带宽有限,导致速度下降、掉线情况时有发生。

撰文 楼昊颢

随着连接到无线网络设备的数量的增加,频谱资源稀缺的问题日渐突出。至少就现在而言,我们还只能在极其狭窄的频谱上共享有限的带宽,这极大的影响了用户的体验。而毫米波技术就是解决这一问题的关键。

编辑 魏潇 戚译引

什么是毫米波?

最近几个月,5G
一直是大家非常关注的话题。除了大家都知道的贸易战,双方技术发展分歧也是原因之一。虽说都挂着
5G
的牌子,但实质上,华为和高通等美国公司的开发方向并不一致。但是5G究竟是什么呢?

与以前用于移动设备的5Ghz以下的频段相比,毫米波在30GHz和300GHz之间的频率进行传输。它们被称为毫米波,是因为这些频段的波长在1毫米到10毫米之间,而如今用于智能手机的无线电波的波长大多为几十厘米。

不只是 4G 的扩展包

迄今为止,毫米波只在雷达系统和卫星上有应用。现在,一些蜂窝网络提供商已经开始使用毫米波在诸如两个基站这样的固定点之间传输数据,但是使用毫米波将移动用户与附近的基站相连则是一种全新的方法。

如果说 1G 给移动电话提供了信息传播的平台,2G 扩展了这些功能并优化了 1G
的一些缺陷。其后,3G 和 4G 也做着差不多的事。那么,5G 也只是 4G
的扩展包吗?诺基亚移动网络销售主管简·吕高(Jane Rygaard)和高通的 5G
市场主任伊格纳西奥·孔特雷拉斯(Ignacio Contreras)可不这么认为。

毫米波技术有什么优点?

“2G 是数字语音,3G 是数据服务的开端,4G
是移动宽带,但它们都只专注于手机。而 5G
与它们最关键的区别在于,它是为了服务于各种全新领域而设计的,”孔特雷拉斯评价道。

无线传输增加传输速率一般有两种方法,一是增加频谱利用率,二是增加频谱带宽。相对于提高频谱利用率,增加频谱带宽的方法显得更简单直接。在频谱利用率不变的情况下,可用带宽翻倍则可以实现的数据传输速率也翻倍。但问题是,现在常用的5GHz以下的频段已经非常拥挤,到哪里去找新的频谱资源呢?5G使用毫米波就是通过第二种方法来提升速率。

简也同意孔特雷拉斯的意见。“如果回头看看 2G、3G 和 4G,它们都只是在卖 SIM
卡而已。人们可能买了 SIM 卡,装在类似传感器的装置里,不过也仍只是 SIM
卡买卖。”她认为这根本不是 5G 的使用方式。“如果想发挥 5G
的全部潜力,”简接着说,“继续卖 SIM
卡和订阅服务可不行,我们得停下来重新思考——我们要卖的是一种解决方案,一种全新的网络连接方式。”

根据通信原理,无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右,因此载波频率越高,可实现的信号带宽也越大。在毫米波频段中,28GHz频段和60GHz频段是最有希望使用在5G的两个频段。28GHz频段的可用频谱带宽可达1GHz,而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则到了2GHz(整个9GHz的可用频谱分成了四个信道)。

5G 为何如此与众不同?

相比而言,4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下,而可用频谱带宽只有100MHz。因此,如果使用毫米波频段,频谱带宽轻轻松松就翻了10倍,传输速率也可得到巨大提升。

要了解 5G 与其他技术的差异,得先从最基础的技术谈起。目前为止,包括
Wi-Fi,电话,影视下载在内的日常通信使用的是厘米波(centimeter
wave),占用的都是 6 GHz
以下的频段。虽然理论上能满足日常通讯的速度需求,但是随着信息量爆炸式的增长,往日的“信息高速路“也像过年的高速公路一样,在某些时候堵得水泄不通。伦敦市中心的
Chinatown 就是个完美的例子。所有手机在接近 Chinatown
时,显示一切正常,然而当你想发 iMessage
或者微信时,就会发现,明明是满格的信号,却没法正常发出信息。

毫米波技术有什么缺点?

“大堵车”的主要原因就是带宽不足。这里说的“带宽”并不是我们日常所说的“带宽大,速度快”的数字带宽,而是模拟信号的频段带宽。这个带宽的宽度由频段使用的最高频率和最低频率之差决定,其大小直接确定了信号的信息承载量,日常
4G-LTE 实质上用的是 2GHz 的载波,带宽在 100 MHz
左右。相对的,理想情况下,优质的 5G 信号使用的是毫米波(millimeter
wave),波长为 1 至 10mm。通信最有可能占用的频段是 28 GHz 和 60 GHz。28
GHz 频段带宽可达 1 GHz,而 60 GHz 频段的更是分成了 4 个信道,一共 9 GHz
的总带宽,几乎是 4G 信号的 90 倍 。

除了优点之外,毫米波也有一个主要缺点,那就是不容易穿过建筑物或者障碍物,并且可以被叶子和雨水吸收。这也是为什么5G网络将会采用小基站的方式来加强传统的蜂窝塔。

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由于毫米波的频率很高,波长很短,这就意味着其天线尺寸可以做得很小,这是部署小基站的基础。可以预见的是,未来5G移动通信将不再依赖大型基站的布建架构,大量的小型基站将成为新的趋势,它可以覆盖大基站无法触及的末梢通信。

各代移动技术频段的带宽。图片来源:雷锋网

目前,各大厂商对5G频段使用的规划,是在户外开阔地带使用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率,而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据传输。

巨大的带宽增容带来的不仅仅是承载量的变化,传输速率上也有阶梯般的提升。无线传输中,数据传输的基础单位是码元。影响其传输速率的因素有三:调制方式、码元传送速率和信号占用带宽。由于前二者在移动通信技术上很难有大的突破,所以,带宽成了影响传输速率决定性的因素。也正是如此,拥有傲人带宽的
5G 速度遥遥领先 4G,是后者的 9~20 倍。

凭借毫米波和其他5G技术,工程师希望5G网络不仅能够为智能手机用户提供服务,而且能够在无人驾驶汽车、VR以及物联网等领域发挥重要作用。

除了速度和信息承载量,5G 另一个吸引无数眼球的亮点就是超低延迟。4G
的网络延迟一般为 70ms,5G
设想中的网络延迟则是数毫秒。由于信号传输是个非常复杂的过程,科学家正在努力用各种方式来降低
5G 的延迟。其中,一种专注于收发器(transceiver)优化的、名为 full duplex
的技术成为了最有希望的方法。

研究人员和公司已经为5G设定了很高的期望,并承诺为消费者提供超低延迟和创纪录的数据速度。如果他们能够解决剩下的挑战,并弄清楚如何让整个系统协同工作,那么超快的5G服务有望在未来5年内商用。

目前,基站和手机通信都得通过收发器实现。如果想以相同的频率发送或接收信息,这些信息会在收发机里排队;如果用户希望同时发送和接收信息,收发器则需以不同的频率运行,不同频率间的转换也会造成机械延迟。而full
duplex
能让收发器在同一时间、同一频率上传输和接收数据。如此,无线网络的容量在最基础的物理层(physical
layer)扩大至 2 倍。

这一技术极大地提高了远程驾驶的可操作性和体验度。在最近举办的巴塞罗那
2019 世界通信大会(Mobile World Congress Barcelona)上,智能驾驶公司
Einride 推出了一项 5G
远程驾驶的体验项目。体验场地设备并不多,体验者靠三块连着的屏幕和方向盘等模拟器械,就能够控制
2500
公里外位于瑞典哥腾堡(Gotenberg)停车场内的一辆卡车,并让它完成一个普通障碍赛。这辆卡车上安装了限速装置和一个强制停止开关,确保体验者不会创下“最远距离引起交通事故”的世界纪录。体验者表示在操控过程中完全没有感受到任何物理上的延迟,如同在街机厅打游戏一样。

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巴塞罗那会场远程驾驶。图片来源:IEEE

5G 技术的挑战与分歧

尽管功能强大,5G
也面临着极其严峻的挑战,这同时也是华为与其他公司技术分歧的源头。

我们都学过,频率*波长=光速,且光速可以看成一个定量。也就是说,频率越高,波长就越短,而波长的长度和传播效率又有着直接的关系。从结果上说,由于这个特性,毫米波的电波无法轻易穿过建筑物和障碍物,信号也容易被植物和雨水吸收,甚至一个手掌就能明显降低其传播效率。同时,毫米波电波能量衰减得也很快,这导致毫米波基站的有效范围只有
150
米。所以,要普及毫米波,得大动土木,修建很多基站。即使因天线长度与波长成正比,基站体积不会很大,密集的基站建设仍是一项极其庞大的工程。

华为的 Sub-6GHz 就没有这个担心。Sub-6GHz,顾名思义,使用的是 6GHz
以下的波段。该波段的数据传播性能确实没有 28GHz
优秀,但传播效率和实现上比直接使用毫米波要优秀得多。Sub-6GHz
因为比较接近 4G 的频率,波长没有质的改变,传播上可以使用经改造 4G
的设备,而不是重新修建基站,节约大量成本。当高通等公司发现毫米波极难实现,想悬崖勒马时,华为在这方面的研发已经领先一步,分歧就由此产生,矛盾的种自也随之诞生。

不止是“更好地玩手机”

虽然目前离最理想的 5G 还有些距离,但高速、大容量且低延迟的
5G,毫无疑问会如期而至,开启数据传输的新时代。这种全新的连接方式又会带给我们怎样的前景呢?谁都没法清楚的预测。如果
5G
真的能达到或是十分接近设想的效果,那带给社会的变革,可能不会亚于汽车和电力。

1.云端驾驶

经由诸如特斯拉、宝马等世界大厂的宣传,自动驾驶已经众人皆知,算法、芯片等与自动驾驶有关的新闻更是喷涌而出。和人驾驶汽车时,需要眼观六路,注意行人、信号灯一样,自动驾驶也需要获取这些信息。由于网络技术限制,目前主流的“单机游戏”式自动驾驶计划让车接收并处理所有信息。但是,爱立信的先进产业主管埃里克·约瑟夫松(Erik
Josefsson)表示,这种做法并没有什么意义:“从长远看,为什么要把所有这些功能放在车载设备上?这只会让车变得既笨又贵。我们希望简化整个过程,把更多的东西放在云端。”

埃里克想表达的就是车联网(Vehicle to Everything,
也被称作V2X)的概念。这个“网”就是在设想中,以 5G
为基础的巨大互联网。人、信号灯、其他的车辆等等,几乎所有单位都接入网络,分享必要信息,车载系统通过全面的信息进行自动驾驶,最大程度地保证行驶安全。

其实车联网的概念其实早就提出来了,但由于 4G
过高的延迟导致网络无法及时将信息传送给高速行驶中的汽车,而且其带宽也无法承受一辆车每秒
0.75 GB
的需求量。要知道,随着自动驾驶技术的发展,这个数据量很可能会继续增长。但在理想的
5G
环境下,这些问题都将迎刃而解,低延迟保证了信息的时效性,带宽在满足现有需求的同时,还留有不少发展空间。

2.VR 和 AR

除了开车,5G 还能的高容量和低延迟还能大幅提高你的 VR
游戏体验。试想一下,你和朋友戴着 VR
头盔打乒乓球游戏,当你看到球过来,手挥出去,球却没打着,那是多么令人尴尬的场景。

造成这些的原因多种多样,延迟也是其中一个。人的反应速度通常在 50 ms
以内,目前通信技术很难保证无线头盔的延迟稳定在这个范围内,而有线头盔笨重累赘,不讨使用者喜欢。

此外,VR
带来的眩晕感也是个大问题——感官不一致是主要原因。例如,当玩过山车 VR
游戏,影像传递给大脑“正在下落”的信息,但其他感官却毫无反应,陷入信息混乱的大脑就可能产生眩晕的症状。

当 5G 应用在 VR
上后,低延迟和稳定的高速不仅能保证顺畅的操作感,其提供的超大负载量更能在减轻脖子压力、让
4K 屏幕呈现在你眼前的同时,传递更多的感官信息给大脑,让你尽情享受 VR
带来的体验,达到所有感官完全被“异世界”所替代的前所未有的完全浸入体验。或许我们有生之年就能进入“艾恩葛朗特”的世界了。

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《刀剑神域》中想象的全浸入式头盔。图片来源:《刀剑神域》

相比加强 VR 游戏体验,5G 在AR(augmented
reality,增强现实)上的应用可能会给我们带来更多、更实际的帮助。未来的真实世界之上可能会覆盖着高分辨率信息层:我们可能会看到一个虚拟的姓名标签悬浮在我们以前见过的人的前面;也许是一个蓝色的箭头,告诉我们转弯的正确位置;或者是一个对我们感兴趣的事物的注释。最终,我们能够像网上搜索文本一样搜索现实世界。我们将超链接对象改成现实世界,就像网络上的超链接词一样。这会产生出惊人的效益和全新产品。你也许在影视作品里看过类似的景象:主角随手掏出一副眼镜戴上,之后,整个世界都变了样,灰黑方正的高楼染上了绚丽的色彩,硕大的鲸鱼在天空遨游,行人身上毫无亮点的装束突然变成了超前卫的服饰……这些在科幻电影里的场景,很可能借
AR 成为现实。

耶鲁大学计算机科学家戴维·葛伦特(David
Gelernter)称之为镜像世界(mirroworld)。他认为 AR
技术以后不止可以反映事物的模样,还能表现其内容、意义和功能。人们可以在AR世界里与物体互动,就像在现实世界里一样去操控它,去感受它。

与自动驾驶的车联网一样,所有的设想都基于所有单位都能接入网络并共享信息的强大网络连接。云端进行数字模型和信息复杂的处理,再通过覆盖全面的
5G 网络,将这些实时变化的图像和信息传到 AR
眼镜的显示屏上。这在信息大堵车和高延迟的 4G
时代是不可能做到的,没人会想戴上眼镜之后,满屏都是“loading……”

3.5G 医院

目前,韩国一家与时俱进的医院已经准备好 5G
的应用了。延世大学医疗系统(Yonsei University Health
System)将在距首尔约 40 公里永宁开设其最新的医院,预计于 2020 年 2
月开业。韩国电信公司 SK 电讯(SK Telecom)将用 5G
网络支持这个项目,并考虑用量子加密技术保护信息安全。

在 5G
网络的支撑下,各种科技产品将大幅提升医疗流程的质量和效率。在隔离病房的重病患者可以通过全息图像与亲人们交谈;医院中的人能用
AR
室内导航系统在医院周围找到自己的路;经授权的医务人员能用面部识别技术进入安全区域;病人可以用
Alexa风格的语音助手控制他们的床、灯和电视,还能给护士打电话。

“这真的很令人兴奋,”洛杉矶雪松西奈医院(Cedars-Sinai
hospital)护理部执行主任皮奇·海恩(Peachy
Hain)说,“这些技术都应该成为医院必备设施。但她同时提醒:“病人的房间很小。当我们增加技术设备时,需要考虑会不会堆积更多设备,以及如何集成软件来减少室内的硬件数量和大小。”

参考来源:

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