如何設(shè)計(jì)和驗(yàn)證 5G 系統(tǒng)，第 1 部分

從 1980 年代開(kāi)始，移動(dòng)行業(yè)一直在以每十年更新一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)的速度升級(jí)無(wú)線技術(shù)。80 年代推出的第一代 (1G) 手機(jī)雖然當(dāng)時(shí)不被稱(chēng)為 1G，但基于模擬技術(shù)，僅支持質(zhì)量較差的語(yǔ)音通信。

90 年代推出的第二代 (2G) 手機(jī)將模擬語(yǔ)音傳輸升級(jí)為數(shù)字語(yǔ)音通信，增加了對(duì)短消息服務(wù)/多媒體消息服務(wù) (SMS/SMM) 的支持，并大幅擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)容量。在世紀(jì)之交，3G 手機(jī)引入了互聯(lián)網(wǎng)接入，用于網(wǎng)絡(luò)瀏覽、電子郵件通信、視頻下載和圖片共享。在 2010 年代，4G 智能手機(jī)允許高速無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)以執(zhí)行桌面應(yīng)用程序。

所有四種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)都只針對(duì)一個(gè)目標(biāo)市場(chǎng)：創(chuàng)建超級(jí)智能手機(jī)，以提供從簡(jiǎn)單的移動(dòng)語(yǔ)音通話到無(wú)所不包的互聯(lián)網(wǎng)享受的日益豐富的用戶(hù)體驗(yàn)。

為什么是5G?

近年來(lái)，多種因素共同要求采用新的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)來(lái)取代老化的 4G 規(guī)范。其中包括移動(dòng)用戶(hù)的急劇增長(zhǎng)，需要更多更快的數(shù)據(jù)傳輸、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備的普及、無(wú)人機(jī)的部署增加、移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的普及以及自動(dòng)駕駛汽車(chē)提出的嚴(yán)格要求。

為了應(yīng)對(duì)這些需求的壓力，國(guó)際電信聯(lián)盟 (ITU) 制定了 IMT2020 標(biāo)準(zhǔn)，通常稱(chēng)為 5G，以應(yīng)對(duì)三個(gè)移動(dòng)市場(chǎng)，每個(gè)市場(chǎng)都有獨(dú)特的需求。

第一個(gè)市場(chǎng)被稱(chēng)為極端移動(dòng)寬帶，主要關(guān)注以人為本的用例的通信服務(wù)，使用戶(hù)能夠訪問(wèn)由 3G/4G 標(biāo)準(zhǔn)處理的多媒體內(nèi)容、服務(wù)和數(shù)據(jù)。例如，5G 將更好地滿足新應(yīng)用和比特率不斷增長(zhǎng)的需求。

關(guān)鍵機(jī)器通信部分服務(wù)于機(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 應(yīng)用，其中超可靠和低延遲通信是強(qiáng)制性的。示例包括自動(dòng)或半自動(dòng)車(chē)輛的車(chē)對(duì)車(chē) (V2V) 通信、工業(yè)制造或生產(chǎn)過(guò)程的無(wú)線控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)、智能電網(wǎng)中的配電自動(dòng)化和運(yùn)輸安全服務(wù)。

5G 的第三個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域，正式名稱(chēng)為大規(guī)模機(jī)器通信，服務(wù)于眾所周知的物聯(lián)網(wǎng)。在這個(gè)角色中，5G 有望提供將大量連接設(shè)備連接在一起的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)設(shè)備都傳輸相對(duì)較少量的非延遲敏感數(shù)據(jù)。支持這些應(yīng)用的設(shè)備需要低成本并且在小型電池組上運(yùn)行多年。

5G 標(biāo)準(zhǔn)是第一個(gè)在一個(gè)保護(hù)傘下支持所有這些市場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于最終用戶(hù)而言，5G 將是一個(gè)連接應(yīng)用的生態(tài)系統(tǒng)。每個(gè)應(yīng)用程序?qū)⒏鶕?jù)所需任務(wù)自適應(yīng)地管理數(shù)據(jù)速度、延遲和可靠性。例如，自動(dòng)駕駛汽車(chē)需要可靠、即時(shí)的響應(yīng)和高速公路上的安全鏈接。為了支持這一點(diǎn)，5G 網(wǎng)絡(luò)將提供廣泛的覆蓋范圍、低延遲和加密的通信鏈路。

5G 網(wǎng)絡(luò)將允許服務(wù)提供商通過(guò)在提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻、物聯(lián)網(wǎng)和關(guān)鍵通信的單一標(biāo)準(zhǔn)下整合多個(gè)通信系統(tǒng)來(lái)滿足其所有最終用戶(hù)的應(yīng)用需求。

5G極限規(guī)格

即使快速瀏覽一下 5G 規(guī)范，也會(huì)發(fā)現(xiàn)大量新規(guī)范，在速度、帶寬、延遲、容量、密度、頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)效率、可靠性、覆蓋范圍等方面都有一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)的改進(jìn)。新標(biāo)準(zhǔn)如何以比以往更快的速度支持各種設(shè)備之間的大量信息傳輸，并在廣泛的覆蓋范圍內(nèi)提供高水平的安全性。

5G技術(shù)要求

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ETSI) 列舉了八項(xiàng) 5G 要求：

1. 峰值數(shù)據(jù)速率 (Gbit/s)

2. 用戶(hù)體驗(yàn)數(shù)據(jù)速率 (Mbit/s)

3. 延遲(毫秒)

4. 頻譜效率

5. 流動(dòng)性(公里/小時(shí))

6. 連接密度(設(shè)備/ km 2)

7. 網(wǎng)絡(luò)能源效率

8. 區(qū)域流量(Mbit/s/m 2)

為了滿足 5G 標(biāo)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)性要求，正在采用幾種新興技術(shù)，包括：

· 毫米波，

· 波束成形，

· 大規(guī)模多輸入多輸出 (MIMO)，

· 載波聚合，以及

· 小cell。

其商業(yè)實(shí)施所涉及的技術(shù)挑戰(zhàn)是巨大的，其中一些挑戰(zhàn)讓設(shè)計(jì)界徹夜難眠。要了解原因，讓我們檢查每種技術(shù)。

毫米波

5G 之前的所有無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)都與其他服務(wù)(無(wú)線電、高清電視、警察/消防/EMS、政府、軍隊(duì)等)共享無(wú)線電頻譜，占用大約 1 GHz 到 30 GHz 之間的各種許可和未許可頻段。21 世紀(jì)之交后的某個(gè)時(shí)間，我們認(rèn)為可用頻譜的最后幾個(gè)頻段要么被拍賣(mài)，要么被分配給其他應(yīng)用，沒(méi)有更多帶寬用于 30 GHz 以下的 5G 擴(kuò)展。為了解決這個(gè)問(wèn)題，技術(shù)人員開(kāi)始考慮覆蓋 30 GHz 和 300 GHz 之間頻率范圍的頻譜塊，通常稱(chēng)為毫米波 (mmWave) 頻譜，該頻譜基本上仍未被占用。