一文淺析5G物聯(lián)通信協(xié)議：為你揭開“5G秒下載多部高清電影”背后實(shí)況

那些枯燥乏味的語義已經(jīng)讓一部分人無法真正理解5G,更無法把它當(dāng)成有趣的東西，以及過于炒作它將如何影響你的生活。

5G與現(xiàn)在普通4G LTE之間最重要的區(qū)別之一是頻率分配增加。

4G-LTE蜂窩塔

在擁擠和電子噪聲區(qū)域中確定網(wǎng)絡(luò)速度的一個(gè)重要特征是為其分配了多少電磁頻譜。通常，具有更多分配頻譜的網(wǎng)絡(luò)可以支持更多并發(fā)連接，從而提升所有各方的網(wǎng)絡(luò)速度。美國主要運(yùn)營商互相競(jìng)標(biāo)，從其他公司和美國政府購買部分頻譜。運(yùn)營商僅僅購買幾兆赫就得花費(fèi)數(shù)十億美元。

LTE信號(hào)的頻率范圍從大約700 MHz到2.5 GHz。通常，較低頻率的波具有更多的遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)的能力，因此對(duì)載波更有價(jià)值，因?yàn)閱蝹€(gè)蜂窩站點(diǎn)可以覆蓋更多的客戶。然而，這取決于對(duì)速度的權(quán)衡，因?yàn)楦哳l率的網(wǎng)絡(luò)支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

5G NR指定了兩個(gè)創(chuàng)造性的命名：頻率范圍1(FR1)和頻率范圍2(FR2)的網(wǎng)絡(luò)頻段。FR1涵蓋了我們所熟知的當(dāng)前頻譜：頻率低于6 GHz。這部分電磁頻譜包括從AM / FM無線電一直到快速5 GHz雙頻Wi-Fi的所有內(nèi)容。

新增功能FR2包括24 GHz以上的“毫米波”頻率。這部分頻譜用于從衛(wèi)星來回傳輸數(shù)據(jù)，用于沿海岸的雷達(dá)設(shè)施等等。

美國頻率分配圖

這些上述毫米波FR2頻段允許載波從擁擠的FR1頻段中消除大部分壓力。唯一的問題是你基本上需要能夠看到天線才能獲得任何可用的連接，所以除了網(wǎng)絡(luò)擁塞最嚴(yán)重的密集城市環(huán)境之外，這毫無用處。FR2頻段也將促進(jìn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。

哈佛學(xué)者Alex Wulff認(rèn)為：5G不會(huì)從根本上改變手機(jī)上可用的服務(wù)類型。移動(dòng)上網(wǎng)用戶們不會(huì)突然能夠在一秒鐘內(nèi)下載多GB文件?？梢云诖氖撬俣群凸δ艿奶嵘c3G從4G的轉(zhuǎn)變相當(dāng)。這將是一個(gè)重大的轉(zhuǎn)變，但僅僅如此不足以推動(dòng)世界大的變革。

IMT-2020 5G標(biāo)準(zhǔn)要求最高速率為20 Gbps(每秒十億比特)，或比“千兆”(1 Gbps)寬帶連接快約20倍。LTE標(biāo)準(zhǔn)要求最高速度為300 Mbps，但即使您距離蜂窩塔只有幾百米，實(shí)際上也可能只有十分之一。

因此，5G速度的提升，對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車這樣的增加速度的好處完全是過度炒作。您不能指望5G的“移動(dòng)寬帶”部分超出傳統(tǒng)住宅寬帶的范圍，傳統(tǒng)住宅寬帶本身并不比4G LTE好多少。

5G仍然會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生重大影響，盡管你可能不會(huì)直接看到它。5G標(biāo)準(zhǔn)中最令人興奮的部分是它專注于快速，安全和可靠通信的新應(yīng)用。

具體而言，5G NR標(biāo)準(zhǔn)將目標(biāo)用例分為三組：

增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)：這是我們迄今為止一直在討論的傳統(tǒng)小區(qū)服務(wù)。

大規(guī)模機(jī)器類型通信(mMTC)：這一部分的名稱暗示了物理上較大的機(jī)器，但更多地將其視為小型廉價(jià)連接設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。

超可靠和低延遲通信(uRLLC)：該部分由要求無與倫比的可靠性和響應(yīng)時(shí)間的連接組成。

Alex Wulff堅(jiān)信5G的真正影響將在這些服務(wù)的統(tǒng)一中得到最大的體現(xiàn)。這三類通常需要單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施：用于eMBB的傳統(tǒng)小區(qū)服務(wù)，用于mMTC的LoRaWAN和Sigfox等服務(wù)，以及用于uRLLC的專用以太網(wǎng)/光纖鏈路。5G代表所有這些不同部分大體統(tǒng)一為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

大規(guī)模機(jī)器類通信

這一部分代表了許多人傳統(tǒng)上認(rèn)為的“物聯(lián)網(wǎng)”。從拖拉機(jī)傳感器到連接的烤面包機(jī)的所有東西都需要連接到互聯(lián)網(wǎng)，目前有多種方法可以做到這一點(diǎn)。傳統(tǒng)的Wi-Fi在家庭環(huán)境中運(yùn)行良好，但電池供電的設(shè)備有許多要求，Wi-Fi和蜂窩技術(shù)無法滿足(功耗和范圍)。

LoRaWAN和Sigfox的技術(shù)正在尋求通過低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)來解決這個(gè)問題。您可以將這些網(wǎng)絡(luò)視為與傳統(tǒng)小區(qū)服務(wù)類似，只需支持更遠(yuǎn)距離通信，其功耗和數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)低于常規(guī)小區(qū)服務(wù)。然而，雖然目的相似，但這些LPWAN網(wǎng)絡(luò)的基本規(guī)范都沒有與4G標(biāo)準(zhǔn)共享。這意味著公司需要專門投資LoRa或Sigfox調(diào)制解調(diào)器才能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)。此外，網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要限于美國主要城市。

負(fù)責(zé)LTE的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)這些用例已經(jīng)部署了LTE-M和NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)，與其他LPWAN網(wǎng)絡(luò)不同，它們受到美國主要運(yùn)營商的支持。這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)也是5G物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的組成部分。

使5G成為IoT最佳的砝碼，另一個(gè)因素是設(shè)備密度，5G網(wǎng)絡(luò)將支持每平方公里多達(dá)1,000,000個(gè)連接，或足夠的容量將連接互聯(lián)網(wǎng)的傳感器放在最密集的森林中的每棵樹上。

超可靠和低延遲通信

5G研究機(jī)構(gòu)們預(yù)測(cè)2020年全球?qū)⑦M(jìn)入5G商用服務(wù)元年，而真正要實(shí)現(xiàn)其商用，它需要解決超可靠和低延時(shí)兩大問題。

延遲是信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)傳播所需的時(shí)間。這不是數(shù)據(jù)傳輸率的同義詞，盡管兩者有些相關(guān)。蜂窩連接情況下的延遲也不是由發(fā)射機(jī)的物理距離引起的。

網(wǎng)絡(luò)中的延遲通常以毫秒為單位進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，與所討論的服務(wù)器的距離確實(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的差異，盡管這種延遲的大部分原因還在于處理長(zhǎng)途請(qǐng)求所需的計(jì)算機(jī)數(shù)量增加。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)的延遲仍然以毫秒為單位進(jìn)行測(cè)量 - 這通常是指電話數(shù)據(jù)通過蜂窩塔的通信硬件傳播到網(wǎng)絡(luò)所需的時(shí)間。4G實(shí)現(xiàn)了20ms的延遲，而uRLLC的規(guī)格不到1ms。

結(jié)合更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)可靠性，5G已然成為眾多有趣應(yīng)用的理想平臺(tái)。以自動(dòng)駕駛汽車為例。使用4G，您最多可以在100毫秒內(nèi)將數(shù)據(jù)包從一輛汽車發(fā)送到另一輛汽車 - 大約50毫秒來處理數(shù)據(jù)包并發(fā)送到手機(jī)信號(hào)塔，另外50毫秒將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目標(biāo)汽車。如果這個(gè)信息包正在通往周圍其他車輛的道路上，那么這個(gè)延遲太高了。

相比之下，5G NR 將支持直接通信模式 ，使這些車輛能夠在幾毫秒內(nèi)共享信息。工程師可以擴(kuò)展同樣的原則，以確保工業(yè)環(huán)境中的安全性和增強(qiáng)功能。

總結(jié)

總之，5G不僅僅是速度增量的提升; 5G代表著網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模統(tǒng)一和擴(kuò)展，將在未來幾年內(nèi)連接我們的社會(huì)。在接下來的幾年里，對(duì)于各區(qū)域5G試點(diǎn)的采用以及小范圍商用，為籌備大規(guī)模的5G部署成為了可能，屆時(shí)共睹5G物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)以何種生態(tài)改變我們的世界，值得滿懷期待。