5G手機(jī)速度快，主要技術(shù)原因是什么？
都說(shuō)5G手機(jī)比4G上網(wǎng)速度快。目前4G的峰值下載速率為1Gbps，下載一部高清電影可能要花一小時(shí)時(shí)間。而5G的峰值速率有望達(dá)到10Gbps，下載同樣一部電影可能只要花幾分鐘時(shí)間。
最近EDN小編看到有人說(shuō)，這只不過(guò)是炒作罷了。那么EDN小編就想為5G鳴不平。本文就想簡(jiǎn)單地歸納下，5G當(dāng)中采用了哪些關(guān)鍵技術(shù)，能帶來(lái)速度的大幅提升。
頻譜擴(kuò)展
5G網(wǎng)絡(luò)和4G大不同。首先從頻譜來(lái)看，1G到4G無(wú)線通信采用的 300MHz~3GHz 頻譜具有穿透性、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但存在一個(gè)非常致命的缺點(diǎn)：頻帶寬度過(guò)于狹窄，位于頻段內(nèi)的無(wú)線設(shè)備數(shù)量眾多，頻譜分配即將枯竭。
全球5G先發(fā)頻段則是C波段（頻譜范圍為3.3GHz-4.2GHz、4.4GHz-5.0GHz）和毫米波頻段26GHz/28GHz/39GHz。此外，5G采用了寬頻方式定義頻段，形成了少數(shù)幾個(gè)全球統(tǒng)一頻段，大大降低了手機(jī)支持全球漫游的復(fù)雜度。5G的最大帶寬由20MHz增加到在C波段上最大支持100MHz，在毫米波上最大支持400MHz。
新波形
5G采用基于OFDM化的波形和多址接入技術(shù)。OFDM技術(shù)被當(dāng)今的4G LTE和Wi-Fi系統(tǒng)廣泛采用。因其可擴(kuò)展至大帶寬應(yīng)用，可具有高頻譜效率和較低的數(shù)據(jù)復(fù)雜性，因此能夠很好地滿足5G要求。OFDM 技術(shù)家族可實(shí)現(xiàn)多種增強(qiáng)功能，例如通過(guò)加窗或?yàn)V波增強(qiáng)頻率本地化、在不同用戶與服務(wù)間提高多路傳輸效率，以及創(chuàng)建單載波OFDM波形，實(shí)現(xiàn)高能效上行鏈路傳輸。
通過(guò)OFDM子載波之間的15kHz間隔（固定的OFDM參數(shù)配置），LTE最高可支持20 MHz的載波帶寬。為了支持更豐富的頻譜類型/頻帶（如毫米波、非授權(quán)頻段）和部署方式。5G NR將引入可擴(kuò)展的OFDM間隔參數(shù)配置。這樣，5G NR就在統(tǒng)一的框架下提高多路傳輸效率。另外，5G NR也能跨參數(shù)實(shí)現(xiàn)載波聚合，比如聚合毫米波和6GHz以下頻段的載波。
5G新空口在上行與下行方向上均采取具有可擴(kuò)展特性（在子載波間隔及循環(huán)前綴方面）的循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用（CP-OFDM）技術(shù)，這樣，上行與下行就有著相同的波形，從而就可簡(jiǎn)化5G新空口的整體設(shè)計(jì)，尤其是無(wú)線回程以及設(shè)備間直接通信（D2D）的設(shè)計(jì)。縮減 OFDM 信號(hào)的 CP 前綴，壓縮 OFDM 長(zhǎng)度，可降低傳輸延遲。此外，F(xiàn)ilter-OFDM技術(shù)可降低頻譜邊緣保護(hù)帶的開(kāi)銷，相比4G，在同樣的標(biāo)稱帶寬下，傳輸帶寬有了明顯的提升。
高階調(diào)制
現(xiàn)有4G LTE具有QPSK、16QAM、64QAM、256QAM可采取這四種調(diào)制方式，5G新空口也將支持。目前，5G新空口標(biāo)準(zhǔn)中新增1024QAM。
在手機(jī)側(cè)，目前4G采用的調(diào)制方式是64QAM。而5G可以采用256QAM，這樣一個(gè)碼元就可以傳輸8比特?cái)?shù)據(jù)。
Massive MIMO
多天線技術(shù)經(jīng)歷了從無(wú)源到有源，從2D到3D，從高階MIMO到大規(guī)模陣列的發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)頻譜效率提升數(shù)十倍甚至更高。
由于引入了有源天線陣列，5G基站側(cè)可支持的協(xié)作天線數(shù)量將達(dá)到128根。此外，原來(lái)的2D天線陣列拓展成為3D天線陣列，形成新穎的3D-MIMO技術(shù)，支持多用戶波束智能成形，減少用戶間干擾，結(jié)合高頻段毫米波技術(shù)，將進(jìn)一步改善無(wú)線信號(hào)覆蓋性能。
多天線的使用帶來(lái)了空間復(fù)用增益，可以大幅度提升容量。但對(duì)于特定終端（如手機(jī)），能支持的復(fù)用層數(shù)受限于接收天線的數(shù)目。
現(xiàn)在大家所使用的手機(jī)標(biāo)配的接收天線數(shù)目為兩個(gè)，因此能支持最大復(fù)用層數(shù)為兩層。未來(lái)使用4收天線的終端將成為主流。5G NR將標(biāo)配的接收天線數(shù)目提升了一倍。相比2收、4收終端可以大幅提升下行速率。
波束成形
Massive MIMO由于每個(gè)天線陣列集成了更多的天線，因此其主要挑戰(zhàn)是減少干擾。如果能有效地控制這些天線，讓它發(fā)出的每個(gè)電磁波的空間互相抵消或者增強(qiáng)，就可以形成很窄的波束，而不是全向發(fā)射。這樣就能將有限的能量都集中在特定方向上進(jìn)行傳輸，不僅可使傳輸距離更遠(yuǎn)，而且還能避免信號(hào)的干擾，這種將無(wú)線信號(hào)（電磁波）按特定方向傳播的技術(shù)就叫做波束成形（beamforming）。
這一技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不僅如此，它可以提升頻譜利用率，通過(guò)這一技術(shù)便可同時(shí)從多個(gè)天線發(fā)送更多信息。因此，波束成形可以解決毫米波信號(hào)被障礙物阻擋以及遠(yuǎn)距離衰減的問(wèn)題。
全雙工
最近幾年，同時(shí)同頻全雙工技術(shù)吸引了業(yè)界的注意力。5G網(wǎng)絡(luò)采用該技術(shù)，在相同的頻譜上，通信的收發(fā)雙方同時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)，與傳統(tǒng)的TDD和FDD雙工方式相比，從理論上可使空口頻譜效率提高1倍。全雙工技術(shù)能夠突破FDD和TDD方式的頻譜資源使用限制，使得頻譜資源的使用更加靈活。
終端直通
傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式是以基站為中心實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站及中繼站無(wú)法移動(dòng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在靈活度上有一定的限制。隨著無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)不斷增多，傳統(tǒng)的以基站為中心的業(yè)務(wù)提供方式已無(wú)法滿足海量用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求。
終端直通（D2D）技術(shù)無(wú)需借助基站的幫助就能夠?qū)崿F(xiàn)通信終端之間的直接通信，拓展網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式。由于短距離直接通信，信道質(zhì)量高，D2D能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時(shí)延和較低的功耗；通過(guò)廣泛分布的終端，能夠改善覆蓋，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用；支持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法，提升鏈路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。
目前，D2D采用廣播、組播和單播技術(shù)方案，未來(lái)將發(fā)展其增強(qiáng)技術(shù)，包括基于D2D的中繼技術(shù)、多天線技術(shù)和聯(lián)合編碼技術(shù)等。
高級(jí)信道編碼設(shè)計(jì)
目前LTE網(wǎng)絡(luò)的編碼還不足以應(yīng)對(duì)未來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸需求，因此迫切需要一種更高效的信道編碼設(shè)計(jì)，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并利用更大的編碼信息塊契合移動(dòng)寬帶流量配置，同時(shí)，還要繼續(xù)提高現(xiàn)有信道編碼技術(shù)（如LTE Turbo）的性能極限。
與前代通信技術(shù)數(shù)據(jù)信道所用turbo碼、控制信道用TBCC等編碼方式相比，5G NR采用了全新的信道編碼方式，即數(shù)據(jù)信道用LDPC編碼，控制信道和廣播信道用Polar編碼。這一改進(jìn)可以提高NR信道編碼效率，能以低復(fù)雜度和低時(shí)延，擴(kuò)展達(dá)到更高的傳輸速率。
總結(jié)
由于篇幅有限，本文僅針對(duì)5G手機(jī)列舉了幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)5G手機(jī)的快速通信，也少不了基礎(chǔ)設(shè)施側(cè)的超密集網(wǎng)絡(luò)和小基站等技術(shù)的支持。此外，對(duì)于萬(wàn)物互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化/網(wǎng)絡(luò)切片、無(wú)線軟件定義網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)也都是5G研究的熱點(diǎn)。
