設計和驗證5G繫統，第1部分
- 2020-11-13 17:15:00
- 技術管理員 原創
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從1980年代開始，移動行業一直在以每十年一種新標準的速度陞級無線技術。 在80年代推齣的第一代（1G）手機雖然當時不被稱爲1G，但其基於模擬技術，僅支持質量較差的語音通信。
在90年代推齣的第二代（2G）手機將模擬語音傳輸陞級爲數字語音通信，增加瞭對短消息服務/多媒體消息服務（SMS / SMM）的支持，併大大擴展瞭網絡容量。 在世紀之交，3G手機引入瞭互聯網訪問功能，用於Web瀏覽，電子郵件通信，視頻下載和圖片共享。 在2010年代，4G智能手機允許高速無線互聯網訪問以執行桌麵應用程序。
錶1 總結瞭四代無線産品的服務，主要區彆和弱點。
錶1
按年代，服務和性能説明無線技術的髮展歷程。
資料來源：GSMA情報
所有四箇無線標準僅針對一箇目標市場：創建超級智能電話，以提供從簡單的移動語音呼叫到無所不能的互聯網享受，日益豐富的用戶體驗。
爲什麽選擇5G？
近年來，各種因素共衕導緻瞭一種新的無線標準來取代老化的4G規範。
其中包括要求更快，更快速地交付數據的移動用戶的急劇增長，物聯網（IoT）設備的普及，無人機的部署不斷增加，移動增強現實的普及以及自動駕駛汽車提齣的嚴格要求。
爲瞭應對這些需求的壓力，國際電信聯盟（ITU）製定瞭IMT2020標準（通常稱爲5G），以解決三箇具有獨特要求的移動市場（
圖1
）。
圖1
5G無線市場細分包括極端移動寬帶，關鍵機器通信和大規模機器通信，每箇都有特定的要求。
資料來源：諾基亞
第一箇市場稱爲極端移動寬帶，主要涉及以人爲中心的用例的通信服務，使用戶能夠訪問3G / 4G標準解決的多媒體內容，服務和數據。
例如，5G將更好地滿足新應用和比特率不斷增長的需求。
關鍵的機器通信部分用於機器對機器（M2M）應用程序，在這些應用程序中，必鬚進行超可靠和低延遲的通信。
例如，用於自動駕駛或半自動駕駛的車輛到車輛（V2V）通信，工業製造或生産過程的無線控製，遠程醫療手術，智能電網中的配電自動化以及運輸安全服務。
5G的第三箇市場領域正式稱爲大規模機器通信，爲後來被稱爲IoT的領域提供服務。
在這箇角色中，5G有望提供將大量連接的設備連接在一起的無線網絡，每箇設備都傳輸相對少量的非延遲敏感數據。
支持這些應用的設備必鬚是低成本的，併且需要使用小型電池組纔能運行多年。
5G標準是第一箇在所有保護傘下支持所有這些市場的標準。
對於最終用戶而言，5G將是連接應用程序的生態繫統。
每箇應用程序將根據所需任務自適應地管理數據速度，延遲和可靠性。
例如，無人駕駛汽車需要可靠，卽時的響應以及在高速公路上的安全連接。
爲此，5G網絡將提供廣泛的覆蓋範圍，低延遲和加密的通信鏈路。
5G網絡將通過在提供數據，語音，視頻，物聯網和關鍵通信的單一標準下整閤多箇通信繫統，使服務提供商能夠滿足其最終用戶的所有應用需求。
5G極限規格
卽使快速瀏覽5G規格，也會髮現大量新規格，速度，帶寬，等待時間，容量，密度，頻譜效率，網絡效率，可靠性，覆蓋範圍等提高瞭一箇到兩箇數量級。
圖2
概述瞭新標準如何以比以往更快的速度在各種設備之間支持更大量的信息傳輸，併在廣泛的覆蓋範圍內提供瞭高度的安全性。
圖2
5G主要規格優於/超過4G一箇或多箇數量級。
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根據速度，帶寬，等待時間和數據傳輸速率比較瞭五代無線通信標準。
錶2
該錶根據一組主要特徵比較瞭五代無線通信標準，以突齣顯示差異。
5G技術要求
歐洲電信標準協會（ETSI）列舉瞭8箇5G要求：
圖3中
的星形圖
比較瞭4G（IMT-Advanced）和5G（IMT-2020）規格。
圖3
4G與5G規範的比較強調瞭新5G標準的挑戰性要求。
資料來源：ETSI
爲瞭滿足5G標準的挑戰性要求，正在採用多種新興技術，包括：
商業實施所涉及的技術挑戰是巨大的，併且有些挑戰使設計社區無法入夜。
要瞭解原因，讓我們檢查一下每種技術。
毫米波
5G之前的所有無線標準都與其他服務（無線電，HDTV，警察/消防/ EMS，政府，軍事等）共享無線電頻譜，佔用大約1 GHz至30 GHz之間的各種許可和非許可頻段。
在21世紀之交的某箇時候，我們認爲是可用頻譜的最後幾箇頻段被拍賣或分配給其他應用，從而不再爲30 GHz以下的5G擴展留齣更多帶寬。
爲瞭解決這箇問題，技術人員開始考慮覆蓋30 GHz至300 GHz頻率範圍內的頻譜塊，通常稱爲毫米波（mmWave）頻譜，至今仍未被佔用。
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顯示瞭按頻段劃分的電磁頻率/波長頻譜。
圖4
該圖顯示瞭按波段和用途劃分的波長/頻率廣播頻譜，尚未充分利用。
資料來源：維基百科
直到最近，mmWaves的使用仍然受到限製，因爲牠們管理起來很睏難，併且電子設備不足以對其進行處理。
牠主要限於射電天文學和衛星通信。
近年來，隨著技術的進步，mmWaves成爲移動通信領域的佼佼者，牠被4G移動通信的廣泛採用取代瞭飽和的釐米波頻譜，這一切都髮生瞭變化。
需要考慮幾箇數據點：首先，整箇毫米波頻譜大約是釐米波頻譜（300GHz – 30GHz = 270 GHz）的10倍，爲擴展提供瞭充足的空間。
結果，mmWave網絡可以支持許多衕時的高帶寬信道，每箇信道都髮送和接收大量數據。
除瞭高容量，5G繫統還被設計爲提供比早期無線網絡低得多的延遲（延遲=數據髮送與接收之間的延遲）。
4G網絡的最小延遲徘徊在70毫秒左右。
今天的早期5G網絡可以提供低至10毫秒的延遲，併且有望最終降至1毫秒。
顯着減少的延遲將減少或消除無線通話和視頻聊天中令人沮喪的延遲。
在某些情況下，例如無人駕駛汽車和遠程醫療，由於近乎瞬時的連接而實現的快速響應可以避免不必要的傷害或死亡。
更重要的是，毫米波的傳播波束寬度比釐米波要窄，牠是對透射光束在離其起點越遠時如何擴展的一種度量。
盡管釐米波信號的較寬波束寬度會由於榦擾而減少本地信號在衕一地理區域內傳輸的重用，但毫米波的較窄波束可減輕榦擾併支持使用相衕頻率範圍的近距離多次傳輸。
不倖的是，毫米波具有缺點，包括其有限的傳輸範圍。
物理定律規定，對於給定的功率，波長越短，透射範圍越短，這主要是由於大氣衰減引起的。
此外，毫米波信號會迅速衰減，因爲牠們不易穿過建築物或障礙物，併且會被樹木，樹葉和雨水吸收。
由於毫米波信號的不良傳播特性，牠們需要大量的無線電單元（RU）纔能實現所需的覆蓋範圍。
波束成形
波束成形是一種用於減少支持信道所需的髮射機功率以及增加網絡容量的技術。
傳統的無線電在各箇方曏上都髮送信號，而無線波束成形會縮小髮送器信號的聚焦範圍，將其能量聚焦到直接對準接收器的緊密波束中。
這增加瞭該接收器處的信號強度，衕時將週圍的信號榦擾降至最低。
在5G中，波束成形在控製繫統功率併通過特殊的多路複用將功率集中在用戶上起著重要作用。
此外，短的毫米波波長使得構建足夠小以適閤手機的多元件動態波束成形天線成爲現實。
大規模MIMO
多輸入多輸齣（MIMO）無線電在髮射器和接收器中使用多箇天線，以增加天線鏈路的容量，併最終提高網絡效率，衕時減少傳輸錯誤。
該方法已經在3G（演進的高速數據包訪問或HSPA +）和4G（LTE或長期演進）無線標準中使用，但僅限於少數幾箇（單箇數字）天線。
mmWaves的極短波長使使用小型天線陣列將信號集中到高度聚焦的波束中成爲可能，該波束具有足夠的增益來剋服傳播損耗併顯着提高通信效率和吞吐量。
天線越多，通信效率越高。
大規模MIMO可以將這項技術推曏數百箇天線。
在5G中，大規模MIMO在髮射機側可能需要多達256箇天線，在接收機側可能需要多達四箇天線和兩層。
閤併來自接收器側所有天線的所有信號，以提高鏈路的魯棒性，併將繫統的比特率提高到10 Gbps（每層3.2 Gbps，最多四層）。
這種方法的缺點是，隨著繫統中天線數量和調製階數的增加，無線電基帶處理器的複雜度呈指數增長。
載波聚閤
載波聚閤可提高通信效率。
通常，廣播頻譜很昂貴，併且在4G中牠變得越來越擁擠。
因此，至關重要的是變得更聰明地使用可用頻譜。
載波聚閤可能涉及在4G中使用一箇頻段，在5G中使用另一箇頻段。
通過組閤牠們，可以顯着提高傳輸數據速率。
小細胞
支持高達4G的所有標準的基礎設施包括大型蜂窩電話塔，這些蜂窩電話塔將蜂窩信號傳播到整箇地理區域。
5G將改變這種方式。
服務提供商將不會在大型電話塔，建築物和其他建築物上安裝他們的設備（稱爲小型基站），而不是建造大型塔。
這些電池的射程通常約爲250米（820英尺）。
mmWave信號的較短傳播特性正在鼓勵服務提供商創建更密集的基礎架構，卽在更近的地方建立更多的基站，以確保廣泛且一緻的服務。
服務質量
5G通信的一項重要要求是提高服務質量（QoS）。
以前的所有無線標準都緻力於爲客戶提供更高的數據速率，但是QoS併不是優先考慮的事情。
隨著物聯網設備的齣現，無人駕駛汽車的齣現，這種情況髮生瞭變化。
在這些應用程序以及許多其他應用程序中，QoS現在已成爲關鍵要求。
如果呼叫在4G通信中掉線，則繫統會選擇另一箇頻率，另一箇信道或更改爲另一箇調製方案。
當前設備的有限功率迫使牠們在協議棧中更高的鏈路層上運行，以切換到新的頻率或調製方案，從而延長瞭完成切換併從故障中恢複的時間。
在5G環境中，必鬚在幾毫秒內執行選擇，迫使繫統在物理層上運行。
當通信質量下降時，必鬚在幾毫秒內完成切換到新頻率或其他調製方案。
重要的是將QoS處理得更靠近物理層，以使不衕類型的設備連接到網絡。
5G標準是之前所有四箇無線標準的飛躍，有望實現更快的速度，更高的數據傳輸速率和更低的延遲，併具有更廣泛的覆蓋範圍。
纍計而言，5G將杜絶阻礙老化的4G標準的擁塞和延遲問題。
