5G用了哪些新技术而成为前沿科技的“土壤”

时间:2018-07-24作者:文档来源:

科普中国网 2018-07-02

面向2020年及未来,移动互联网和物联网业务将成为移动通信发展的主要驱动力,而5G是未来移动互联网和物联网的核心。5G将满足人们在居住、工作、休闲和交通等各种区域的多样化业务需求,即便在密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等具有超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性特征的场景,也可以为用户提供超高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面、在线游戏等极致业务体验。与此同时,5G还将渗透到物联网及各种行业领域,与工业设施、医疗仪器、交通工具等深度融合,有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的多样化业务需求,实现真正的“万物互联”。

那么5G用了哪些新技术而成为前沿科技的“土壤”呢? 5G网络主要有三大特点,极高的速率 enhanced mobile broadband (eMBB),极大的容量 Massive Machine Type Communication(mMTC),极低的时延Ultra Reliable Low Latency Communications(URLLC),我就从这三个方面入手看看实现这些特点的技术和它们带来的前沿科技。

高速率enhanced mobile broadband (eMBB)

相比于4G,未来5G对用户来说感受最强烈的就是它的网络速度了。4G现在已经很快了,但是还不够,5G要做到的目标是最大20Gbps,大致相当于4G网络速度的20倍。1G到4G的网络都工作在较低的电磁波频段,因此具有良好的传播性,运营商可以建设少量的基站就可以覆盖较大的区域。但是低频段的频率资源非常宝贵,因此各大运营商都极力去抢低频带的资源。而在高频段,相对应的频段非常宽裕。比如在2MHz-1MHz的低频段,只有1MHz的频段宽度,而在2GHz-1GHz的高频段,频带宽度达到了1000MHz,是低频段频带宽度的1000倍。5G的一个特点就是高频,但是高频段传播性能有限。那么如何解决高频通信的传播问题呢?这就需要用到大规模天线(massive MIMO)技术了。高频资源的频率很高,波长就很短(毫米波),那么在天线设计的时候可以做的很小,甚至可以做成阵列。天线阵列中天线的增加可以带来额外的增益,结合波束赋形,波束追踪等技术以弥补高频通信在传播上的受限。

超高的网络传输速度带来的最直接应用就是超高清4K甚至8K视频的实时播放了。

5G一个重磅级的应用就是VR(虚拟现实)了。当你戴上VR头盔后,你便进入了一个虚拟的世界,在这个世界,你可以与他人进行互动和游戏。有了5G,用户与用户、用户与虚拟世界的沟通互动将出现革命性的变革。VR中各种传感器的海量数据和虚拟世界的庞大数据传输都需要极速的网络支撑,这在5G时代成为可能。

另外由于云端和本地端数据传输速度太快了,快的我们甚至感觉不到了,因此我们的电脑、手机可能再也用不硬盘了,一切交给云,移动设备将变得更加小巧,可穿戴设备也将更加成熟和普及。

极大的容量 Massive Machine Type Communication(mMTC)

万物互联一直是人类梦寐以求的世界,物联网一直以来都是只闻其声不见其形。由于超大规模数量的终端需要极大的能量供给,以及超大范围的无限网络覆盖,因此物联网仍处于萌芽的状态,伴随着5G网络的出现,物联网在未来一定大放异彩。

5G将会通过什么技术手段来解决困扰物联网技术最大的障碍—功耗问题呢?物联网的节点太多,而且由于很多条件的限制,终端没有办法充电,电池终有耗尽的时候,因此这样的物联网不能称为真正意义上的物联网。5G采用针对广域物联网的窄带物联网技术,通过降低终端发射功率、降低天线复杂度、优化物理层技术、采用半双工通讯、降低信令开销等方式使终端的耗电量降低。5G还使用非正交多址技术以支持更多的终端接入。

物联网我们生活中已经有一些应用的例子,比如共享单车。每一辆单车都依靠其智能芯片与云端连接,用户可以通过手机app连接云端,再与共享单车连接。在未来,依托于物联网技术,智慧城市、智慧家居等方面的应用会更加广泛,我们的生活也将更加便利。另外在工业、金融、林业、医疗、环保、农业等领域,物联网也将大有作为。

极低的时延Ultra Reliable Low Latency Communications(URLLC)

4G网络的出现使移动网络的时延迈进了100ms的关口,使对实时性要求比较高的应用如游戏,视频,数据电话成为可能。但对于对实时性要求极高的智能交通、虚拟现实、远程医疗、工业控制等,4G就有点捉襟见肘了。而5G网络的出现,将会使时延降到更低,会为更多对时延要求极致的应用提供生长的土囊。

5G如何降低时间延迟呢? 5G主要通过对帧结构的优化设计,将每个子帧在时域上进行缩短从而在物理层上进行时延的优化。5G在信令的设计上也会采用以降低时延为目标的信令结构。

在5G将时间延迟所短到1毫秒后,自动驾驶将会真正成为改变世界的应用。我们目前使用的4G网络,端到端时延的极限是50毫秒左右,还很难实现远程实时控制,但如果在5G时代,端到端的时延只需要1毫秒,足以满足智能交通乃至无人驾驶的要求。同时,通过5G网络的超大容量, 1平方公里内甚至可以同时有100万个网络连接,海量的传感器将道路环境、周围车辆、天气等数据实时反馈到道路上行驶的无人驾驶车辆,甚至由一个超级大脑来统筹规划所有车辆的行驶,人类将迎来一个再也没有交通事故的时代。

医生在通过5G网络进行远程医疗时,需要远程的医疗设备对医生发出的指令作出实时反馈。在执行复杂的命令时,正在工作的机器人更需要与医生实现无缝“沟通”。这就需要极致的时间延迟要求。5G的低时延使这一切成为可能。

正如3G时代,无论我们怎么想象都想象不到在4G时代,我们的生活发生了如此多的翻天覆地的变化。在5G时代,许多颠覆我们认知的科技将会出现,并会彻底变革我们看待这个世界的方法,人类可能会迎来一次新生,我们拭目以待。

  作者:赵述涛 橘子科普团队 中国科学院高能物理研究所工程师

  审稿人:北京工业大学教授 科普中国特聘专家 于乃功

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