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《科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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5G网络就要来了,WIFI会死吗?

2018-07-04 14:47:00

  最近在各种新闻和资讯中,5G成为频繁出现的热词:雄安新区要建立5G创新示范区,最近即将发布第一版5G标准,工业和信息化部正在部署5G外场试验。那么5G究竟是什么?5G网络相比现有网络有怎样的优势?它又能给我们带来什么样的应用前景呢?

  移动通信技术的发展历程

  5G(G是英文单词Generation的首字母)就是第五代移动通信系统。综观移动通信的发展历程,当代移动通信已经经历了4个阶段。

  早在30年前,中国就引入了第一代移动通信系统,也就是模拟“大哥大”的时代,由于成本昂贵、话费高,只为极少数人拥有。随后,越来越多的移动通信需求也引领了国内移动通信网络的更新换代。

  第二代GSM数字移动通信系统(2G)让普通人也拥有了手机,但主要功能就是打电话、发短信。

  第三代移动通信(3G)以多媒体通信为特征,其高速率更方便用户通过手机接入互联网,手机屏幕也越来越大,各种移动互联网应用大大方便了人们的日常生活。

  而当3G网络不能再满足人们的数据业务需求时,目前正在铺开的4G(即LTE)网络也就孕育而生。4G与3G相比,可以提供更高传输速率和更短时延来支持视频业务、网络游戏等,其通信速率大大提高,标志着无线宽带时代的到来。

  5G是什么

  从1G到4G,大家直观的感受是通信速率的提升,那么顺着这个思路继续做一个判断,5G也只是速率的提升吗?

  作为5G最官方的国际组织,国际电信联盟(ITU)早在2015年就明确了5G的意愿。首先5G包括了三个方面的应用场景:一是增强型移动宽带(eMBB),二是大规模机器通信(mMTC),三是高可靠低时延通信(URLLC)。

  相比之前的四代移动通信系统,国际电信联盟首次在目标中明确了5G对机器通信及工业控制的支持。其次国际电信联盟定义了5G的能力指标,体现为一系列指标的组合。可以看到,5G和4G相比,不再单纯是峰值传输速率的提升,而是综合考虑8个技术指标:峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接密度、网络能量效率和流量密度。这8个技术指标并不是同时都需要支持,而是分别适用于不同的应用场景。

  具体来说,网络需要支持连续广覆盖和热点高容量,并对每个用户保证提供100兆的用户体验速率。针对增强型移动宽带场景,网络需要支持高达20吉的下行峰值速率。可以想象,现在用有线宽带都要下载数小时的蓝光电影,未来5G网络可以用短短几分钟甚至数十秒就下载完成。

  同时,考虑到未来高铁的速度不仅仅停留在350千米每时,5G还需要提供支持高达500千米每时的移动速度。可以在快速运动的同时享受增强现实(AR)和虚拟现实(VR)等需要大带宽的超高清业务。

  对于高可靠低时延通信场景,5G可以提供低至1毫秒的端到端时延,是目前LTE时延指标的1/10。同时通信的可靠性要求为误码率小于十万分之一。这么苛刻的技术指标主要为了满足车联网和工业控制等行业应用,这类应用需要时延和可靠性具有极高的指标要求。

  对于大规模机器通信场景,主要需能满足每平方千米100万连接密度的指标要求。同时还要保证终端的低成本和低功耗,因此这种技术可以面向智慧城市、环境监测等物联网的应用场景。

  畅想5G时代

  前面介绍了5G的优势和目前的发展情况,但即将到来的5G究竟能我们的生活带来什么样的变化。有一句话非常贴切:4G改变生活,5G改变社会。

  5G不仅仅关注了人们对网络互联的需求,还推动了各种感知设备以及车辆等的万物互联。

  在5G部署初期,增强型移动宽带将是5G网络的核心应用场景。5G首先会聚焦个人消费领域,提供诸如4K/8K超高清视频、AR和VR等应用,实现无处不在的高清体验。

  随着5G的网络升级,将逐步支持大规模机器通信和高可靠低时延通信的能力,5G网络将更关注垂直行业应用。这些行业涉及生产生活的各个方面,如工业、农业、交通运输、医疗和公共安全等,实现更为广泛的万物互联。

  大规模机器通信的应用场景包括:智慧城市应用中的各类公共设施监控、智慧家居、智能路灯、消防和门锁等安全应用;智慧农业的环境和温、湿度监控、自动喷灌系统;工业领域中各种设备监控、智能制造、物资存储和物流标签等。

  这些应用呈现出一些基本特征,即数量巨大但数据量较小、覆盖面广且需要低功耗来满足电池供电下较长的工作时间。3G/4G网络由于主要考虑人联网的需求进行设计,并不十分贴合这些物联网应用的功耗和大容量需求。

  至于高可靠低时延通信场景,这里借助车联网来说明5G对业务能力的影响。在这一领域,基于4G的标准已经定义完成,主要支持三方面的应用,包括信息娱乐服务、交通效率提升以及安全应用。但由于4G技术支持的数据量较小且时延较大,只能支持最基本的安全应用,如前方车辆提醒、事故或危险路段提醒等。对于真正意义上的自动驾驶,由于车辆间要频繁快速地交互车辆行驶状态,如车速、方向和制动等信息,需要3毫秒以下的时延来支持这些数据的传输。同时,对摄像头等大带宽传感器的数据传输,又需要更大的传输通道。这在目前的4G网络环境下是无法实现的。

  同样可以看到,工业控制、远程手术等需要精准的实时控制的领域,都需要依靠5G的技术特性才能实现。

  因此随着5G技术对三大场景的全面支持,大大扩展了原来移动通信网络覆盖的业务范围,5G将改变社会中诸多行业的运行方式,让社会更智能、更高效,让生活更为便捷美好。让我们期待这个5G新时代的到来吧。

  5G是WiFi的终结者吗

  也许有人会问,5G这么完美,那其他通信手段如WiFi还会存在吗?

  首先需要明确的是,5G是授权频段技术,而WiFi工作在非授权频段,因此WiFi无须巨额的频谱使用费。WiFi的设计理念就是简单、通用,但由于非授权频段存在大量干扰,因此WiFi仅提供尽力而为的业务。

  WiFi的灵活和低成本让它仍然是5G阶段室内重要的接入手段之一,第三代合作伙伴计划(3GPP)也在讨论5G和WiFi的融合。最终可实现当用户从室外来到室内,可以平滑无感知的从5G网络切换到WiFi网络。

本文来自《科学画报》

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