5G
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| 移动通信的一部分 |
| 无线网络技术 |
|---|
| 类比 |
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0G 1G (1.5G) |
| 数位 |
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2G (2.5G，2.75G，2.9G) 3G (3.5G，3.75G，3.9G/3.95G) 4G (4G/4.5G，4.5G，4.9G) 5G (5.25G，5.5G) 6G |
_logo.jpg){kind=logo} 3GPP标准的5G标志 | |
| 规范发布 | 2019年4月 |
|---|---|
| 使用于 | 电信 |
| 官方网站 | https://www.gsma.com/solutions-and-impact/technologies/networks/5g-network-technologies-and-solutions/ |
第五代移动通信技术（5th-Generation Mobile Communication Technology，简称5G）[1]是最新一代移动通信技术，为 4G（LTE-A、WiMAX-A、LTE）系统后的演进。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。5G 第一个演进标准 3GPP Release 16于2020年7月3日完成，主要新增了超级上行技术、补充超高可靠低延迟通信和大规模机器类互联两大应用场景，并进一步提升能效和用户体验。[2]，2021年12月高通与联发科技发布支持Release16的基带产品。GSM 协会预计到 2025 年全球 5G 网络将会覆盖超过 17 亿人。
3GPP预计2025年左右商用3GPP Release 18（5G - Advanced）标准，预计实现提供20Gbps的下载速率与10Gbps的上传速率。
跟前几代技术类似，5G 网络属于蜂窝网，它将服务地区根据地理位置分成一个个更小的蜂窝。蜂窝里的 5G 无线设备使用无线电波通过蜂窝里的本地天线来连接互联网和电话网。新一代通讯技术的主要优点在于，在增强型移动宽带 (eMBB)的场景下通过更大的带宽支持更快的下载速度（最终可支持20Gbps）。除了速度变快之外，得益于 5G 更大的带宽，在人员密集区域支撑更多的设备，进而提高网络服务质量。但是单纯4G手机并不能使用新的网络。
目前，提供5G方案给电信业者的公司有：诺基亚、爱立信、三星、高通、思科、华为、中兴、大唐电信。[3][4][5][6][7][8][9]
概述
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与早期的2G、3G和4G移动网络一样，5G网络是数码信号蜂窝网络，在这种网络中，运营商覆盖的服务区域被划分为许多被称为蜂窝（小区）的小地理区域。5G无线设备通过射频与蜂窝基站的天线阵列和自动收发器（发射机和接收机）进行通信。收发器使用电信运营商分配的频段进行通信，这些频段在地理上分离的其他蜂窝中可以重复使用。基站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，当用户从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时，他们的移动设备将自动无缝切换到新的蜂窝中。
应用领域
[编辑]在ITU-R已经定义了5G的增强功能三个主要的应用领域。它们是增强型移动宽带 (eMBB)、超高可靠低延迟通信 (uRLLC) 和大规模机器类互联(mMTC)。[10]在3GPP Release 15时代仅部署了eMBB。[11]
增强型移动宽带 (eMBB)作为 4G LTE移动宽带服务的演进技术，具有更快的连接、更高的吞吐量和更大的容量。也是5G的主要应用场景。
超高可靠低延迟通信 (uRLLC) 是指将网络应用在需要不间断和稳定数据链接的关键任务场景，满足场景对于无线通信网络的超高可靠性和低延迟的要求，提供低于1毫秒空口延迟的可靠无线通信连接。
大规模机器类互联 (mMTC) 将用于大量设备的互联通信。5G 技术将为500 亿个联网物联网设备中的一部分提供服务。通过 4G 或 5G 控制的无人机对于灾难恢复工作能提供很大的帮助，为紧急救援人员提供实时数据。大多数汽车将有许多服务通过 4G 或 5G 蜂窝连接。自动驾驶汽车不需要 5G，因为它们必须能够在没有网络连接的地方运行。然而，大多数自动驾驶汽车还具有用于完成任务的远程操作功能，而这些都极大地受益于 5G 技术。虽然已经有远程手术通过 5G 进行，但大多数远程手术在具有光纤连接的设施中进行，有线连接通常比任何无线连接更快、更可靠。
5G技术使用毫米波等更高频率的无线电波和载波聚合来实现更高的数据速率，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，虽然带来了速度提升与体验的改进，但是速度提升不会像新使用的频段带来那么客观的改进。由于毫米波频段的带宽更为丰富，5G网络中将使用更宽的频道与无线设备进行通信，在应用载波聚合的情况下频宽最高可达1000 MHz，使用Sub-6GHz也可以达到300Mhz，而4G LTE在应用5路载波聚合的情况下频宽，为100Mhz，差距甚远。与4G LTE一样，使用了OFDM调变技术，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。
大气中的气体会吸收毫米波，且毫米波比微波辐射的范围小，因此每个分区可达范围会有所限制；例如以前的蜂巢式网路的分区可能横跨数公里，但5G分区大约只有一个街区的大小。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。[12]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，而不是一个基站塔或基地台。[13]另一种用来提高数据传输速率的技术是大规模MIMO技术。[12]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(亦称“相位阵列”)的形式协同工作，产生到达设备的毫米波束。[12][13]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。部署目前仅限于都市地区，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。[12]
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。[14] 一种应用是实际的虚拟现实和扩增实境；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。[14]
规格
[编辑]下一代行动网路联盟（Next Generation Mobile Networks Alliance）定义了5G网路的以下要求：
- 每平方公里最多可支持 100 万台设备；
- 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路的部署；
- 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。
基地台及覆盖范围
[编辑]| 基地台类型 | 部署环境 | 输出功率（mW） | 最远覆盖范围 |
|---|---|---|---|
| Femto cell | 家用、商用等私人领域 | 10 - 100（室内），200 - 1,000（户外） | 数10米 |
| Pico cell | 大型购物商场、摩天大楼等室内公共区域 | 100 - 250（室内），1,000 - 5,000（户外） | 数10米 |
| Micro cell | 机场、铁路车站、十字路口等人流量较大处 | 5,000 - 10,000（仅限户外） | 100馀米 |
| Macro cell | 展览会场、体育场馆、演唱会现场等超高度密集区 | 10,000 - 20,000 （仅限户外） | 数100米 |
| Wi-Fi（对比） | 家用、商用 | 20 - 100 （室内），0.2 - 1,000（户外） | 数10米~100米 |
技术创新
[编辑]5G与4G相比的技术创新如下：[15]
- 支持512-QAM或1024-QAM更高的资料压缩密度调变/解调变器，目前4G使用256-QAM或64-QAM的调变以压缩传输资料，因此频谱效率每Mbps/100MHz的利用效率更高。
- 新增24-52GHz的毫米波频段进行通讯，比如目前4G使用700MHz、900MHz、1800Mhz、2600Mhz等低频段，虽然电波绕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装置，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取得。
- 多输入多输出（Multi-input Multi-output；MIMO）MIMO多输入多输出利用电磁波的空间多工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。[16]
- 载波聚合（Carrier Aggregation）FR1定义的最大信道宽度为100Mhz，FR2定义的最大信道宽度为400Mhz，通过双载波聚合可以分别拓展到200Mhz和800Mhz。
- 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，装置会比较省电。[17][18][19]
- 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，网路延迟时间将降低到1毫秒。[20]
部署
[编辑] | 此条目需要更新。 (2019年4月28日) |
由于5G技术使用的毫米波（FR2）频段是属于极高频（EHF），比一般电讯业现行使用的频谱（如2.6GHz）高出许多。虽然毫米波能提供极快的传输速度，能达到4G网络的100倍，而且时延很低，但讯号的绕射能力（即绕过障碍物的能力）十分有限，且传送距离很短，这需要增建更多基站以增加覆盖或者使用FR1频段进行部署。
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网路1000倍网路承载能力的高速5G网路，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。[21]
2013年5月13日，韩国三星电子宣布，已成功开发出第5代移动通信（5G）的核心晶片，[22]这一技术预计将于2020年开始推向商业化。[23]该晶片技术可在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。与韩国目前4G技术的传送速度相比，5G技术要快数百倍。透过这一技术，下载一部1GB的高画质（HD）电影只需十秒钟。2015年诺基亚与加拿大Wind Mobile通讯营运商成功测试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。2016年8月3日，澳洲电信宣布将于2018年在黄金海岸进行5G试验。[24]
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Polar Code（极化码）方案，美国高通主推LDPC方案，法国主推Turbo2.0方案，最终eMBB场景的控制信道方案由极化码胜出，eMBB场景的数据信道方案由LDPC胜出。[25]
2016年高通公司发表全球首个5G基带晶片X50，骁龙X50 5G调制解调器使用28GHz毫米波通讯，下行速率达到5Gbps为目前最快的量产形晶片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。[26][27]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。[28]
2019年手机晶片厂商联发科在世界行动通讯大会(MWC 2019)，展示该公司第一款 5G 数据机晶片M70的传输速度，目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晶片的 5G 终端设备。[29]
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。[30][31][32][33]
2020年4月30日，全球海拔最高，位于珠穆朗玛峰海拔6500米的前进营地的5G基站投入使用[34]。
2020年7月28日，德国电信证实，其5G服务目前已覆盖德国全国3000个城镇和直辖市，已有近3万个5G 天线投入使用[35]。
部分已商用的国家或地区
[编辑]以下列表按时间排序
韩国（2018年12月1日面向企业用户，首批运营商为SK电讯、KT、LG U+，2019年4月3日面向个人消费者）
美国（2019年4月3日，首个运营商为Verizon)
瑞士（2019年4月17日，首个运营商为瑞士电信Swisscom AG）
英国（2019年5月30日，首个运营商为EE）
阿联酋（2019年5月30日，首个运营商为阿联酋电信）
义大利（2019年6月5日，首个运营商为沃达丰Vodafone)
中国大陆（2019年6月6日，开始发放5G牌照。2019年10月中国移动、中国电信、中国联通、2022年6月27日，中国广电陆续开通5G服务。2022年7月，中华人民共和国工业和信息化部表示中国累计建成开通5G基站196.8万个，5G移动电话用户达到4.75亿户，已建成全球规模最大的5G网络[36]。）
西班牙（2019年6月15日，首个运营商为沃达丰Vodafone）
科威特（2019年6月15日，首批运营商为VIVA、ZAIN、Ooredoo）
摩纳哥（2019年7月9日，首个运营商为摩纳哥电信，亦为全球首个5G全覆盖的国家）[37]
德国（2019年7月14日，首批运营商为德国电信）[38]
日本（2020年3月25日 NTTDoCoMo、2020年3月26日 au(KDDI)、2020年3月27日 Softbank、2020年9月30日乐天行动）
香港（2020年4月1日，3香港、CSL、中国移动香港、1010、2020年5月26日SmarTone）
台湾（2020年6月30日中华电信、2020年7月1日台湾大哥大、2020年7月3日远传电信、2020年8月4日台湾之星、2020年10月22日亚太电信）
新加坡（2020年8月17日星和电信、2020年9月1日新加坡电信）
澳门（2022年11月14日澳门电讯、2022年12月23日中国电信）
争议
[编辑]健康问题
[编辑]自2019年以来，一些团体以“健康问题”为由，反对部署5G。[39]最终未有证据[40]说服监管机构或专业协会（如：美国国家癌症研究所）证明5G对人体有害。[41]
间谍活动
[编辑]美国表示海外间谍可能利用中国的设备而从事间谍活动，要求其盟国禁止使用由中国提供的5G设备。这个原因已令部分国家或地区停止采购，澳洲、日本等国家已禁止其运营商在5G网路建设中采购中方设备，例如华为[42][43][44][45][46][47]，英国亦仅允许华为有限度参与该国5G建设[48][49]。有专家指出，西方国家在全世界建造电话网络的时候就曾加入过后门访问渠道，很难相信中国不会做同样的事[50]。
继英国决定禁止华为参与5G建设之后，法国政府规定拒绝购买华为5G设备的电信公司续签许可证，由此华为将在2028年前彻底退出法国电信网路。跟英国直接宣布禁用华为不同，法国采取了陆陆续续非正式通知的方法，让希望使用华为的电信公司知难而退。法国网络安全机构ANSSI负责人波帕尔（Guillaume Poupard）向《回声报》记者证实，华为将视具体情况被拒绝，诺基亚和爱立信并不存在这个问题。[51]
2020年7月，英国文化大臣奥利弗·道登（Oliver Dowden）宣布，英国政府已经决定停止在5G网络建设中继续使用华为设备。道登表示，英国政府将从2020年12月31日起停止购买新的华为设备，而英国5G网路中现有华为设备须在2027年前拆除。[52]
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，因为需求没有完全产生。如果说无人驾驶需要5G，现在能有几台车在无人驾驶？其实轮船、飞机等已经实现了无人驾驶，但是如果飞行员不上飞机，乘客敢上飞机吗？就是这个道理。系统工程不是有一个喇叭口就能解决的问题。”[53]
网易创始人丁磊在2019年两会期间表示：“我不认为5G的高速会对目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。”[54]
干扰
[编辑]由于5G和部分卫星通信同样会使用C波段，加上地面上的5G信号强度要明显高于卫星信号，可能导致5G信号干扰卫星信号的情况。针对这一情况，市面上已有面向卫星用户的滤波器，可减少5G信号带来的干扰。[55]
2020年底，美国航空无线电技术委员会（RTCA）发布报告，指美国联邦通讯委员会将开放给5G的3.7~3.98 GHz C波段，与飞机上降落时测量离地距离的无线电高度计所使用之4.2~4.4 GHz频率可能会发生干扰，同时也可能会干扰航空所使用的相关电子设备，造成飞航安全问题[56]。2022年1月，因新开放的波段影响，多个航空公司取消飞美国的一些航班[57]。美国两大行动电信公司AT&T与威讯表示会暂缓启用机场周边5G的新波段，并设立缓冲区；其他国家因开放的频段与4.2~4.4 GHz相隔较大，尚无造成飞航影响[58]。
传讯距离
[编辑]3G和4G传讯距离皆比5G能来的更远，由于5G使用的频率较高的关系，让讯号绕过障碍物的能力不如3G和4G，但如果更密集式的架设5G基站，可以减缓这传送范围小的问题，原本3G和4G网路可以相距较远地架设基地台，但由于5G网路传送范围小，则需要更密集地架设基地台。 5G在相比4G使用更高密度调制（高达1024QAM）以及更高频率（特别是毫米波波段）的情况下，绕射与抗干扰能力下降导致传输距离不如4G，需要更大密度的架设基站来弥补服务质量。
参见
[编辑]参考资料
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