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5G技术将会使用什么频谱?与4G相比是怎么样的?

时间:2020-10-09 17:34:16 来源:安威无线 点击:

经历了数十年的科技革命并且不断地演进,手机系统的使用率不断增长,并且已经从简单的呼叫和消息传递发展成为一种用于通用无线连接的支持技术。这种演进一直涉及为蜂窝无线使用采用更多频谱,这与即将到来的5G技术一样。
 
然而,无线技术在消费者,汽车,工业,甚至军事/航空应用中的无处不在的性质已经将蜂窝无线技术的潜力从人际通信平台转变为高度灵活的无线网络生态系统。鉴于4G LTE和即将到来的5G技术之间功能和频率的变化,这是显而易见的。
 
本文详细介绍了从4G LTE到5G系统的性能,频率和要求的变化。
 
▊新兴应用改变频谱使用和蜂窝网络性能
 

蜂窝网络
 
尽管较早的蜂窝无线世代为移动宽带以外的应用程序提供服务,但大部分2G,3G和现在的4G LTE蜂窝服务都是为移动宽带而设计的。前几代手机电话的标准和技术主要支持城市和郊区的移动宽带蜂窝用户,而农村地区则较少。但是,5G技术的目标不仅限于为移动宽带提供服务,还提供了关键的改进,可实现更广泛的应用:增强的移动宽带(eMBB),超可靠的低延迟通信(URLLC),大型机器类型通信(MMC)和固定无线访问(FWA)。
 
▊增强型移动宽带(eMBB)
 

增强型移动宽带(eMBB)
 
5G eMBB与4G移动宽带的不同之处在于5G的极限数据速率和无处不在的城市覆盖目标。借助eMBB,IMT-2020的目标是提供一种标准,以促进峰值下载速度达到20 Gbps,并在至少100 Mbps的城市环境中以仅4毫秒的延迟提供可靠的用户数据速率。尽管当前的4G移动宽带速度可以达到每秒数百兆位的峰值速度,但是大多数城市用户体验不到10 Mbps的速度,而延迟却只有几十毫秒。除了快速下载视频之外,5G eMBB还可以使用例为整个,整个城市环境中的实时增强现实和虚拟现实应用打开大门。
 
这种性能需要整个蜂窝网络堆栈的升级以及手机的技术增强。当前,网络架构中的许多变化正在发生,主要的电信公司正在部署更多的小型蜂窝以实现eMBB性能,而传统的同类宏蜂窝架构已被证明无法使用,特别是在拥挤的城市环境中。
 
▊超可靠和低延迟通信(URLLC)
 

低延迟通信(URLLC)
 
尽管某些地区经历了蜂窝无线性能,可以认为是企业级的,但是大多数当前的蜂窝系统无法满足关键应用(例如自动驾驶汽车,移动医疗,工厂自动化或紧急响应)的可靠性或等待时间要求。5G URLLC旨在提供高度可靠,安全和低延迟的通信,这些通信可提供低于1ms的延迟通信,足以在可能意味着生死的应用中使用。
 
增强蜂窝网络的可靠性和减少等待时间涉及到蜂窝手机,基站和网络的完成方式的变化。这些增强功能包括新波形,更低延迟的硬件以及可能的无线联网方法,这些方法与星型网络相比,可以实现频率捷变,冗余和替代的网络体系结构类型。
 
▊大规模机器类型通信(MMC)
 

大规模机器类型通信(MMC)
 
当今大多数蜂窝无线用户都是使用手机的个人,但是未来的蜂窝网络将可能由物联网(IoT)设备进行交互,报告传感器信息并在现代化的市区,工厂,工业设施和交通运输中对控制数据进行操作网络。未来的蜂窝通信中,大部分(也许是大多数)将在机器之间进行,这与人类用户提出了截然不同的要求。
 
分散的物联网和机器设备可能需要非常广泛的通信要求,从而使单一的“一刀切”的无线通信协议不可行。因此,新的5G标准可能会包含适应性强的通信协议方法,以便具有低功耗和低数据速率要求的电池供电传感器等系统可以使用与高数据速率和低延迟自主机器人相同的网络技术, 例如。以前的蜂窝一代依赖于在某些应用中使用特定频段,由于频谱拥塞导致每个频段更有价值,因此不太可能成为未来蜂窝一代的解决方案。
 
▊固定无线访问(FWA)
 

固定无线访问(FWA)
 
尽管使用很少,但是3G和4G蜂窝网络已经支持了一系列带有热点和蜂窝调制解调器的伪固定无线访问系统。但是,5G网络的增强的数据速率和低延迟能力使人们可以通过提供FWA与其他最后1.5公里的互联网服务竞争来吸引人的业务用例。凭借更大的带宽和先进的天线技术,许多专家预测5G网络将能够提供类似光纤的性能,并为发达和发展中的市场提供可访问的Internet和连接性。
 
除了大规模的多输入多输出(mMIMO)和具有波束成形功能的天线,FWA服务还要求带宽超过6 GHz以下的频谱,从而驱动当前的蜂窝网络。大量带宽,可能超过1 GHz,提供类似光纤的服务将是必要的。因此,5G蜂窝网络包括毫米波频段,以实现新的应用并与上一代产品相比大幅提高数据速率。
 
▊5G频率与4G频率相比
 

5G频率与4G频率相比
 
早期的GSM蜂窝网络工作在850 MHz和1900 MHz。2G和3G网络改变了调制方法,但大量使用了具有重组频段的频谱的相同部分。随着3G的发展,包括了更多频带以及2100 MHz附近的频谱。4G LTE技术为它带来了更多的频谱和频带,即600 MHz,700 MHz,1.7 / 2.1 GHz,2.3 GHz和2.5 GHz左右。
 
5G频段计划要复杂得多,因为低于6 GHz的5G频谱跨度为450 MHz至6 GHz,毫米波5G的频率跨度为24.250 GHz至52.600 GHz,并且还包括非授权频谱。
 
此外,可能在5925至7150 MHz范围和64 GHz至86 GHz范围内有5G频谱。因此,5G将包括所有先前的蜂窝频谱和6 GHz以下范围内的大量频谱,而6 GHz以下的频谱是当前蜂窝频谱的很多倍。
 
3GPP最初发布的5G新非独立无线电(5G NR)标准包括几个6 GHz以下频段,称为FR1。IMT-2020之后的第二个3GPP 5G版本将在毫米波频谱中包含FR2频段。
 
与之前的蜂窝时代和3GPP版本一样,各个地区和国家也可能会采用独特的频谱来满足5G的使用需求。例如,美国目前绝大部分是使用毫米波技术的5G频段,即38.6 GHz至40 GHz和47.2 GHz至48.2 GHz。而我国,通过对目前科技、社会发展的评估与实践,现已确定基本使用SUB-6G以下的5G频段。
对于5G用例,大多数其他发展中国家都在考虑频谱分配的类似问题。
 
使更多频谱可用于5G的主要原因之一是与吞吐量和带宽相关的物理限制。4G频段计划占每个通道5 MHz至20 MHz的带宽,其中5G FR1标准允许每个通道5 MHz至100 MHz的带宽。由于带宽与最大吞吐量成正比,因此带宽增加5倍与吞吐量大约增加5倍有关。此外,3GPP Release 15建立了新的波形,并添加了π/ 2 BPSK作为调制方法。附加波形是用于FR1的离散傅立叶变换扩展正交频分复用(DFT-S-OFDM)和用于FR2的循环前缀OFDM(CP-OFDM)。
 
尽管可以使用RF硬件,技术和通信基础设施,并且能够满足早期5G频率和性能规范的某些要求,但是大多数5G期望仍然超出了当前可访问的技术范围。这些挑战包括具有所需频率操作的成本效益高的硬件,手持/移动集成以及密集且高度分布式的网络基础架构。随着4G LTE服务仍在中国和其他国家/地区进行部署,超越FR1 5G功能的5G服务可能还需要好几年的时间。
 
▊结论
新一代的蜂窝技术都包括频带和操作模式的变化。随着5G技术的发展,这也不例外。但是,不同之处在于要添加的新频谱数量,以及这些频率在电磁频谱范围内所处的位置。
 
此外,对更大带宽的渴望也促使政策制定者和设备制造商使用多种技术来聚集拥挤的6 GHz以下蜂窝频段,以聚集多个蜂窝频段并增加单信道带宽。诸如物联网(IoT)和机器对机器(M2M)通信之类的新兴应用程序也鼓励业界研究5G的各种操作模式以适应多种应用程序。综合上述,笔者认为应该从产品和国家发展、社会发展的角度去思考,对于军用和民用的窝峰技术,都需要制定对应的策略和应用。
 
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