第五代移动通信技术（5G）
第五代移动通信技术（5G）
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北大火星人最关心5G技术的发展，因为，它提倡“学微积，用手机”。
本文附件把5G完全说明白了。
袁萌 陈启清 5月25日
附件:
规范发布时间
2019年4月
使用于 电信
第五代移动通信技术（英语：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems，简称5G）是最新一代蜂窝移动通信技术，是4G（LTE-A、 WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统后的延伸。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。Release-15中的5G规范的第一阶段是为了适应早期的商业部署。Release-16的第二阶段将于2020年4月完成，作为IMT-2020技术的候选提交给国际电信联盟（ITU）。[1]
ITU IMT-2020规范要求速度高达20 Gbit/s，可以实现宽信道带宽和大容量MIMO。[2] 第三代合作伙伴计划（3GPP）将提交5G NR（新无线电）作为其5G通信标准提案。5G NR可包括低频（FR1），低于6 GHz和更高频率（FR2），高于2.4 GHz和毫米波范围。然而，在早期部署中，在4G硬件（非独立）上使用5G NR软件的速度和延迟只比新4G系统稍好一点，估计要好15％到50％。[3][4][5] 独立eMBB部署的仿真显示，在FR1范围内，吞吐量提高了2.5倍，在FR2范围内提高了近20倍。[6]
当前，提供5G无线硬件与系统的公司有：三星、高通、思科、诺基亚、爱立信、联发科技、瞻博网络、中兴。[7][8][9][10][11][12][13]
目录
1
概述
2
规格
3
基站及覆盖范围
4
技术创新
5
部署
6
争议
6.1
健康问题
6.2
间谍活动
6.3
实际需求
7
参考资料
概述
与早期的2G、3G和4G移动网络一样，5G网络是数字蜂窝网络，在这种网络中，供应商覆盖的服务区域被划分为许多被称为蜂窝的小地理区域。表示声音和图像的模拟信号在手机中被数字化，由模数转换器转换并作为比特流传输。蜂窝中的所有5G无线设备通过无线电波与蜂窝中的本地天线阵和低功率自动收发器（发射机和接收机）进行通信。收发器从公共频率池分配频道，这些频道在地理上分离的蜂窝中可以重复使用。本地天线通过高带宽光纤或无线回程连接与电话网络和互联网连接。与现有的手机一样，当用户从一个蜂窝穿越到另一个蜂窝时，他们的移动设备将自动“切换”到新蜂窝中的天线。
5G网络的主要优势在于，数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络，最高可达10 Gbit/s，比当前的有线互联网要快，比先前的4G LTE蜂窝网络快100倍。[14][15] 另一个优点是较低的网络延迟（更快的响应时间），低于1毫秒，而4G为30-70毫秒。[15] 由于数据传输更快，5G网络将不仅仅为手机提供服务，而且还将成为一般性的家庭和办公网络提供商，与有线网络提供商竞争。以前的蜂窝网络提供了适用于手机的低数据率互联网接入，但是一个手机发射塔不能经济地提供足够的带宽作为家用计算机的一般互联网供应商。
5G网络通过在30至300 GHz的毫米波波段内或附近[14]，使用更高频率的无线电波来实现这些更高的数据速率，而以前的蜂窝网络使用700 MHz和3 GHz之间的微波频带中的频率。一些5G供应商将使用微波频段中的第二个低频范围，低于6 GHz，但这不会有新频率的高速度。由于毫米波频段的带宽更为丰富，5G网络将使用更宽的频道与无线设备进行通信，频率最高可达400 MHz，而4G LTE的频率为20 MHz，可以每秒传输更多数据（比特）。OFDM调制技术是利用多个载波在频率信道中进行传输，从而同时并行地传输多个比特的信息。
毫米波会被大气中的气体吸收，并且比微波辐射的范围更小，因此蜂窝的大小更小；5G蜂窝将有一个城市街区那么大，而以前的蜂窝网络可能横跨好几公里。电磁波也很难穿过建筑物的墙壁，需要多个天线来覆盖一个蜂窝。[14] 毫米波天线比以前的蜂窝网络中使用的大型天线要小，只有几英寸长，所以5G蜂窝将被安装在电话杆和建筑物上的许多天线覆盖，而不是一个基站塔。[15] 另一种用来提高数据传输速率的技术是大规模MIMO技术。[14] 每个蜂窝将有多个天线与无线设备进行通信，每个天线通过一个独立的频道，由设备中的多个天线接收，这样多个数据流将同时并行传输。在一种称为波束赋形的技术中，基站计算机将不断计算无线电波到达每个无线设备的最佳路径，并将组织多个天线以相控阵的形式协同工作，产生到达设备的毫米波束。[14][15] 更小、更多的蜂窝使得5G网络基础设施比以前的蜂窝网络每平方千米覆盖更昂贵。部署当前仅限于都市地区，那里每个手机都有足够的用户来提供足够的投资回报，而且人们对这项技术是否能够到达偏乡区域存在疑问。[14]
新的5G无线设备也具有4G LTE功能，因为新的网络使用4G与蜂窝创建连接，此外在5G无法到达的地方也会使用4G。[16]
5G的高数据传输速率和低延迟被认为在不久的将来会有新的用途。[16] 一种应用是实际的虚拟现实和增强现实。另一种应用是物联网中快速的机器对机器的交互。例如，道路上车辆中的计算机可以通过5G连续不断地相互通信，也可以连续不断地与道路通信。[16]
规格[编辑]
下一代移动网络联盟（Next Generation Mobile Networks Alliance）定义了5G网络的以下要求：
以10Gbps的数据传输速率支持数万用户；
以1Gbps的数据传输速率同时提供给在同一楼办公的许多人员；
支持数十万的并发连接以用于支持大规模传感器网络的部署；
频谱效率应当相比4G被显著增强；
覆盖率比4G有所提高；
信令效率应得到加强；
延迟应显著低于LTE。
下一代移动网络联盟认为，5G应会在2020年陆续推出，以满足企业和消费者的需求。除了简单的提供更快的速度，他们预测5G网络还需要满足新的使用案例需求，如物联网（网络设备建筑物或Web访问的车辆）、广播类服务，以及在发生自然灾害时的生命线通信。
基站及覆盖范围[编辑]
基站类型
部署环境
用户数量
输出功率（mW）
最远覆盖范围
Femto cell
家用, 商用
4 - 8 (家用), 16 - 32 (商用)
10 - 100(户外), 0.2 - 1(户外)
10米
Pico cell
大型购物商场, 机场, 火车站,摩天大楼等公共区域
64 - 128
100 - 250 (户外), 1 - 5 (户外)
10米
Micro cell
128 - 256
5 - 10 (仅限户外)
100余米
Metro cell
超出 250
10 - 20 (仅限户外)
100米
Wi-Fi (对比)
家用, 商用
低于 50
20 - 100 (户外), 0.2 - 1000 (户外)
10余米
技术创新[编辑]
5G与4G相比的技术创新如下：[17]
5G将采用512-QAM或1024-QAM更高的数据压缩密度调制/解调制器，当前4G使用256-QAM或64-QAM的调制以压缩传输数据，因此频谱效率每Mbps/100MHz的利用效率更高提高更多传输速率。
5G将采用28GHz毫米波通信，比如当前4G使用700MHz、900MHz、1800Mhz、2600Mhz等低频段，虽然电波衍射能力比较高但是在低频上频谱资源就却相当有限，在高频的毫米波大多是军用战斗机雷达或测速照相等少数设备，频谱宽度更高，而且更容易找到连续频谱，使空白频谱非常容易获取。
波束指向配合多输入多输出（Multi-input Multi-output ; MIMO）相控数组天线，MIMO多输入多输出利用电磁波的空分复用和路径不同多天线系统提高传输速率，类似在军用领域的技术将延伸出的商用技术版本。
波束自适应和波束成形，能够提高特定方向的波瓣优化传输距离。[18]
新材料将使用GaN氮化镓或是GaAs砷化镓材料的RF射频天线和功率放大器，此材料的RF射频天线能在更高的频段有更高的能源效率，设备会比较省电。[19][20][21]
为了适应工业物联网、无人驾驶汽车、商用无人机等新技术的应用，网络延迟时间将降低到1毫秒以下。[22]
部署[编辑]
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主条目：全球5G商用网络列表
由于5G技术将可能使用的频谱是28GHz及60GHz，属极高频（EHF），比一般电信业现行使用的频谱（如2.6GHz）高出许多。虽然5G能提供极快的传输速度，能达到4G网络的40倍，而且时延很低，但信号的衍射能力（即绕过障碍物的能力）十分有限，且发送距离很短，[23]这便需要增建更多基站以增加覆盖。
华为在2013年11月6日宣布将在2018年前投资6亿美元对5G的技术进行研发与创新，并预告在2020年用户会享受到20Gbps的商用5G移动网络。2014年5月8日，日本电信营运商NTT DoCoMo正式宣布将与Ericsson、Nokia、三星等六间厂商共同合作，开始测试凌驾现有4G网络1000倍网络承载能力的高速5G网络，传输速度可望提升至10Gbps。预计在2015年展开户外测试，并期望于2020年开始运作。[24]
2013年5月13日，韩国三星电子宣布，已成功开发第5代移动通信（5G）的核心芯片实现，[25]这一技术预计将于2020年开始推向商业化。[26]该芯片技术可在28GHz超高频段以每秒1Gb以上的速度传送数据，且最长传送距离可达2公里。与韩国当前4G技术的传送速度相比，5G技术要快数百倍。通过这一技术，下载一部1GB的高清（HD）电影只需十秒钟。2015年诺基亚与加拿大Wind Mobile通信营运商成功测试5G。在2018年冬季奥运期间，韩国推出了5G试验网络，计划于2020年实行大规模商用。[23]2016年8月3日，澳大利亚电信宣布将于2018年在黄金海岸进行5G试验。[27]
华为2016年4月份宣布率先完成中国IMT-2020（5G）推进组第一阶段的空口关键技术验证测试，在5G信道编码领域全部使用极化码，2016年11月17日国际无线标准化机构3GPP第87次会议在美国拉斯维加斯召开，中国华为主推PolarCode（极化码）方案，美国高通主推LDPC方案，法国主推Turbo2.0方案，最终短码方案由极化码胜出，之前长码由LDPC胜出，底层规格确立。
2016年高通公司发表全球首个5G基带芯片X50，骁龙X50 5G调制解调器使用28GHz毫米波通信，下行速率达到5Gbps为当前最快的量产形芯片X16使用在S835处理器的1Gbps的5倍之多，X50基带可能在2018年初量产。[28][29]高通进一步的解释是，利用毫米波波长短的特点，形成狭窄的定向波束，发送和接收更多能量，从而克服传播/路径损耗的问题并在空间中重复使用。此外，在视距路径受阻时，非视距（NLOS）路径（如附近建筑的反射）能有大量能量以提供替代路径。按照高通的规划，骁龙X50 5G平台将包括调制解调器、SDR051毫米波收发器和支持性的PMX50电源管理芯片。[30]
2019年手机芯片大厂联发科在世界移动通信大会(MWC 2019)，展示该公司第一款 5G 调制解调器芯片M70的传输速度，当前正与客户紧密合作，预期 2020 年市场上将推出搭载联发科技芯片的 5G 终端设备。[31]
2019年4月3日，韩国于当地时间（UTC+9）23时启动5G网络服务并成为第一个5G国家。三家韩国电信公司（SK Telecom，KT和LG Uplus）在发布当天表示使用5G网络的用户已超过40,000。[32] [33][34] [35]
争议[编辑]
健康问题[编辑]
自2018年以来，一些团体以健康问题为由，反对部署5G。[36] 最终因未无足够的证据[37]说服监管机构或专业协会（如：美国国家癌症研究所）或证明5G对人体有害。[38]
间谍活动[编辑]
因担心海外间谍组织借此从事间谍活动，美国已敦促其盟国禁止使用由中方所提供的5G设备。当前，澳大利亚、日本等国家已禁止其运营商在5G网络建设中采购中方设备。[39] [40][41] [42]
部分国家虽针对潜在的安全隐患作出警告并成功说服其运营商停止采购，但并未正式禁止使用。[42][43][44]
实际需求[编辑]
华为创始人任正非在2018年4月接受新华社采访时表示：“科学技术的超前研究不代表社会需求已经产生，5G就是媒体炒作过热了，我不认为现在5G有这么大的市场空间”[45]
网易创始人丁磊在2019年两会期间表示：“我不认为5G的高速会对当前的媒体平台有重大的改变，全世界都一样……它只是个速度的增加而已，其实你现在手机速度也够快了，不管是WIFI、4G，都差不多够快了。我觉得（日常使用）基本上完全可以满足。”[46]
参考资料[编辑]
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