5G技術構成：透過eMBB、mMTC、uRLLC三大應用場景從通信技術根源出發
2018-01-03 13:58:13 來源：聯動原素 熱度:
導語：5G未來就在眼前，由于5G技術的三大場景應用性上相比于前幾代無線通信技術的巨大提升，它必將帶來一些我們目前甚至無法想象出的應用。此番，我們從技術角度上來看看5G技術是如何得以實現的，也為你埋下一顆在5G應用上的種子。
現代無線通信技術的演進幾乎10年就是一個時代，從上世紀90年代的2G，直至觸手可及的5G?？梢哉f，無線通信技術是真正能夠最迅速普惠全民眾的事業，它所帶來的便利性，應用性起到著推進時代進程的作用，我覺得這是通信人所值得驕傲的。
最新的5G無線通信技術會帶來什么樣的變化，ITU從eMBB（增強型移動寬帶）、mMTC(海量機器類通信)、uRLLC（超可靠、低時延通信）的三大應用場景上做出了一定規劃。那么5G技術到底又有什么不同呢？我們從其根源上出發從技術角度來看看它的演進過程。
首先從香農公式說起，：C＝B log2(1+S/N)。C是最大傳輸速率；B為頻譜帶寬；S為信號功率；N則是噪聲功率。此公式為通信領域理論之基。
首先很明顯，在直觀角度上，為了提高傳輸速率最直接的做法就是提高頻譜帶寬。
為了提高頻譜帶寬，總的來說分為三類方法。其一，提高頻譜范圍，由C= λV，為了提高頻率，那么所需波長就越小。也就誕生了5G的關鍵技術之一：毫米波（mmWave）。其二，提高頻譜利用率，那么這就涉及到了大幅提高頻譜效率的Massive MIMO，以及（調制技術）正交頻分復用技術OFDM（以及F-OFDM等）和可以實現頻譜效率3倍提升空分多址技術SCMA。其三，為了提高在傳輸過程中的效率，空間利用率和抗干擾性、減低能耗，便有了CCFD(同時同頻全雙共)、3D波束賦形（對射頻信號相位的控制，使得電磁波精準的指向所需服務的移動終端）和D2D（同基站下終端與終端可直接通信，無需經過基站）。
在實現了這些技術的前提下，三大應用場景基本就得到了解決，當然這不是最終的。在有了這些技術的情況下，為了提高其可靠性，更低時延等，還有別的工作要做。
首先，傳統運營商基站的建設成本是比較高的，而5G由于其多需要采用高頻段，那么它的覆蓋范圍勢必將縮小，那么（宏）基站的建設成本無疑會成為一個很大的問題，（這也正是當初運營商搶低頻而段而搶的頭破血流的原因）因而提出了UDN（超密集組網）、UCNC（虛擬化小區和CloudRAN）等的建設方案，其做法之一就是建設微基站。（PS:據了解近兩年微基站的建設成本控制在五千元以內）同時，由于SDR技術的發展，微基站建設的長期投入成本將會更低——頻帶、空中接口協議和功能都可通過軟件下載和更新來升級，而不用完全更換硬件。
除此之外，5G技術其實不單單指高頻段的應用上，它將涵蓋，或者說覆蓋此前的網絡頻段應用，使得5G網成為一個巨大的混合網，因而有5G物聯網之說。由此，端對端網絡切片技術的應用也將成為解決大規模連接節點的一個重要方式，這會更好地解決5G在物聯網中一些對連接要求不那么極端的設備連接上。
說完這些提高物理性技術的方案，我們再來談談從計算機技術上的方案。編碼方案一定程度上在傳輸“源頭”決定了傳輸的速率與時延，此前的4G網絡上，不論信道控制還是數據控制都采用的是LDPC，而在去年底，3GPP確定了由華為中國公司主推的的極化碼（Polar）方案作為5G eMBB場景的控制信道編碼方案，雖然數據信道上憾負LDPC幾票。
至此，我們從通信技術的根源上對5G所采用的主要新興技術做了一個簡單的系統性總結，當然，5G中的新技術還很多，我也只是從旁觀者的角度去少部分的了解了這么一些。（如有意見，請評論補充）再者，5G雖在眼前，但它仍然還處于不斷發展的狀態，也勢必會出現更多更好地促使其成熟、加快落地的新技術。
以下部分則是一段簡單的無線通信技術演進史。
追溯到由無線電報而衍生的模擬移動通信系統，它以模擬電路單元為基本模塊實現語音通信，并創新式地采用了蜂窩結構，可重復利用頻帶，實現大區域覆蓋和移動環境下的不間斷通信。但它的不足之處也很明顯：頻譜利用率低，容量節點有限；保真性較差，安全隱患大；制式太多，兼容性差；無法提供非語音數據業務。
相比于1G，2G時代由ETSI制定的GSM可謂是三朝元老，自90年商用沿用至今，統治了一代人的記憶。除此之外，高通基于擴頻技術推廣的CDMA也是我國聯通早期的主要通信技術標準。2G時代我們主要應用的就是基于GSM演進的GPRS了，基于此誕生的WAP可以算是移動互聯網的階段性產物。但是很明顯，其仍舊無法解決頻譜資源緊張的問題。
直至3G的出現，日、歐提出了WCDMA，能夠直接架設在GSM網絡基礎之上，能夠輕易度過通信技術的迭代，降低基站建設的成本；高通則提出了CDMA2000，這套系統從窄頻CDMA1X衍生而來，可從原有CDMA 1X結構直接升級3G，建設成本低廉。同時這套系統也成了高通的搖錢樹之一，從運營商處收取5%的專利費用，這也為日后我國和歐洲共同研發LTE埋下了伏筆。1998年，我國也提出了TD-SCDMA，采用了智能無線，同步CDMA和軟件無線電等當今國際領先技術，其在頻譜利用、業務支持靈活性上都有獨特優勢。
4G時代的到來，是比較快的。很多人都感覺3G還沒用熱呢，運營商已經在短信通知換取4G卡了。4G的演進過程中OFDM有著關鍵性作用，而無論WCDMA還是TD-SCDMA都可以很快速的直接演進到LTE，相比于此前的通信技術無疑4G的優勢是巨大的，通信速度上的躍升已可匹及家庭寬帶，因而實現了更高質量的多媒體通信業務，同時4G的發展也為現今智能手機、移動互聯網的發展和普及做出了巨大貢獻。
而講到LTE就不得不說說FDD與TDD的差別了，如果將頻譜比作一條高速公路，那么FDD就是采用雙車道制式，可同步進行數據的上傳和下載；而TDD則是一條根據時間變換的單行道，將時間分成無數幀，在幀與幀之間實行變換。
5G以前的通信演進史就到此劃一段落了，而5G的演進正在進行之中，我們會共同持續關注它給物聯網，給整個時代所帶來的影響。
責任編輯：黃焱林
