1-5G無線蜂窩技術(shù)演進(jìn)

1-5G無線蜂窩技術(shù)演進(jìn)\o"1G"#1G\o"2G"#2G\o"3G"#3G\o"4G"#4G\o"5g"#5g自5G(NR)在中國、韓國、美國等國家推出首批服務(wù)以來，5G網(wǎng)絡(luò)已在多個(gè)國家推出；其中:韓國、英國、德國和美國處于領(lǐng)先地位，中國正在快速追趕。分析師預(yù)測:到2025年全球?qū)⒂?7億個(gè)5G連接(圖1)，預(yù)計(jì)5G普及速度將超過以往任何一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)，并且對(duì)未來全球經(jīng)濟(jì)影響的期望很高。

圖1:全球5G連接的預(yù)測增長(來源:CCSInsight）

蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)里程自1970年代后期首次出現(xiàn)以來，蜂窩網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了相當(dāng)大的發(fā)展，連續(xù)幾代(2G到4G)代表了移動(dòng)連接發(fā)展的重要里程碑(圖2)。

圖2：蜂窩網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)時(shí)間線第一代蜂窩通信雖然當(dāng)時(shí)不稱為1G，但第一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)于1979年在日本出現(xiàn)，然后推廣到其他國家，如美國(1980年)和英國(1985年)。這種稱為高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)(AMPS)采用模擬技術(shù),使用頻分多址(FDMA)調(diào)制方式,1G網(wǎng)絡(luò)提供30KHz的信道容量和2.4kbps的速度。1G網(wǎng)絡(luò)只允許進(jìn)行語音通話，存在可靠性和信號(hào)干擾問題，并且對(duì)黑客的保護(hù)有限。第二代(2G)蜂窩通信盡管存在缺陷，1G網(wǎng)絡(luò)直到1991年才在2G網(wǎng)絡(luò)被引入后被取代?；跀?shù)字信號(hào)技術(shù)，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)提高了安全性和容量，2G網(wǎng)絡(luò)提供30KHz到200KHz的帶寬，并允許用戶發(fā)送SMS和MMS消息，盡管速度較低，但最高可達(dá)64kbps。GSM技術(shù)不斷改進(jìn)，后來引入了所謂的2.5G，它結(jié)合了GPRS形式的分組交換和EDGE技術(shù)。2.5G支持高達(dá)144kbps的數(shù)據(jù)速率，使用戶能夠發(fā)送和接收電子郵件以及瀏覽網(wǎng)頁。第三代(3G)蜂窩通信人們?cè)谇ъ?2000年)迎來了3G通信網(wǎng)絡(luò)，它在歐洲采用UMTS，在美國使用CDMA2000技術(shù)；終端用戶使用和查看手機(jī)的方式發(fā)生了變化，不僅關(guān)注語音通話，而是更多地關(guān)注社交連接。同樣基于GSM，3G的主要目標(biāo)是支持高速數(shù)據(jù)，原始的3G技術(shù)允許高達(dá)14Mbps的數(shù)據(jù)速率。憑借以更高速度傳輸更多數(shù)據(jù)的能力，3G使用戶能夠進(jìn)行視頻通話、網(wǎng)上沖浪、共享文件、玩在線游戲甚至在線看電視。2G網(wǎng)絡(luò)可以在大約6-9分鐘內(nèi)下載一首3分鐘的MP3歌曲，在3G網(wǎng)絡(luò)僅需11到90秒就可以完成。今天3G網(wǎng)絡(luò)最常見的用途是作為4G的備份。

第四代(4G)蜂窩通信4G蜂窩通信的引入真正迎來了智能手機(jī)和手持移動(dòng)設(shè)備的時(shí)代。4G是第一代使用長期演進(jìn)(LTE)技術(shù)來提供介于10Mbps和1Gbps之間的下載速度，為最終用戶提供更好的延遲(更少的緩沖)、語音質(zhì)量的改進(jìn)、即時(shí)消息服務(wù)和社交媒體、高質(zhì)量的流媒體和更快的下載速度。4G也是第一個(gè)基于IP的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，將語音作為另一種服務(wù)處理，并且正在開發(fā)該技術(shù)以適應(yīng)包括無線寬帶接入、多媒體消息服務(wù)(MMS)、視頻聊天、移動(dòng)電視、高清電視內(nèi)容、數(shù)字視頻廣播(DVB)。自推出以來相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在努力應(yīng)對(duì)對(duì)其提出的需求。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、自動(dòng)駕駛汽車和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等新興技術(shù)的推動(dòng)下，全球?qū)σ苿?dòng)帶寬的需求正以爆炸性的速度增長?？萍季揞^愛立信預(yù)測：從現(xiàn)在到2023年全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的復(fù)合年增長率(CAGR)為39%，相當(dāng)于每月總計(jì)107艾字節(jié)(EB)。除了需要帶寬之外，新興應(yīng)用程序還需要更高的速度和更低的延遲，而越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在推動(dòng)對(duì)連接數(shù)量不斷增加的需求——到2022年將超過290億。針對(duì)4G/LTE網(wǎng)絡(luò)最終將達(dá)到容量的天花板，國際電信聯(lián)盟(ITU)在2015年定義了5G的要求規(guī)范。5G蜂窩通信演進(jìn)ITU-RIMT-2020(5G)中提出了包含國際電聯(lián)的5G規(guī)范(圖3)。這一雄心勃勃的規(guī)范代表了4G性能的一步演化化，其旨在滿足新興應(yīng)用的要求其中吞吐量高達(dá)10Gbps(比4G網(wǎng)絡(luò)快100倍)旨在滿足日益增長的帶寬需求；1ms的延遲(4G時(shí)延30-50ms)將實(shí)現(xiàn)近乎實(shí)時(shí)的響應(yīng)速度；每平方公里100萬臺(tái)設(shè)備的連接密度(比4G多100倍)支持越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器。

圖3:根據(jù)ITU-R選擇的5G關(guān)鍵性能指標(biāo)5G規(guī)范提出后，國際電聯(lián)將5G技術(shù)規(guī)范的定義委托給全球標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)。3GPP根據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)中部署新功能的順序?qū)σ?guī)范進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序并將規(guī)范分組到版本中。5G規(guī)范已集成到3GPPR15版和R16版(圖4)中，R16版在國際電聯(lián)2020年截止日期前已經(jīng)完成，以確保5G技術(shù)的運(yùn)營商和制造商對(duì)其設(shè)計(jì)和投資充滿信心。

圖4：3GPPR15和R16時(shí)間表(來源3GPP）全面部署IMT-2020G中定義的所有5G功能需要實(shí)施全新的網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營商大量投資以及實(shí)現(xiàn)全面推出所需大量時(shí)間。為了簡化遷移路徑并使運(yùn)營商能夠通過5G服務(wù)盡早進(jìn)入市場，3GPP在R15版中定義了5G(NR)非獨(dú)立技術(shù)(圖5)。

圖5:5G(NR)的NAS架構(gòu)(來源:高通）

5GNSA通過利用現(xiàn)有的LTE基礎(chǔ)設(shè)施來提供5G服務(wù)?，F(xiàn)有宏蜂窩的吞吐量可以通過添加額外的MIMO層來增加，運(yùn)營商可以在所謂的“MIMO最佳位置”(大約3.5GHz)中使用現(xiàn)有頻譜，以提供主要消費(fèi)者主張為新的5G手機(jī)提供更快的服務(wù)。R15版還包括5G(NR)單機(jī)(SA)技術(shù)規(guī)范，R16版計(jì)劃于2020年初完成;根據(jù)ITU世界無線電大會(huì)之后將做出的頻譜分配決定，解決毫米波技術(shù)規(guī)范2019年10月。對(duì)5G發(fā)布公告(表1)的回顧證實(shí)，NSA路線受到全球許多運(yùn)營商的歡迎，但主要例外是AT&T和Verizon，它們使用其毫米波許可證向消費(fèi)者提供固定無線接入(FWA)服務(wù)。表1:全球5G啟動(dòng)計(jì)劃匯總

5G有望改變?nèi)藗兩罘绞揭苿?dòng)電話誕生以來僅有40年左右;蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能力以推動(dòng)全球范圍內(nèi)的社會(huì)變革和創(chuàng)新的速度發(fā)展。3G和4G網(wǎng)絡(luò)的功能是為響應(yīng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的需求而開發(fā)的，并導(dǎo)致智能手機(jī)和平板電腦成為日常配件。然而物聯(lián)網(wǎng)的勢不可擋的崛起以及AR/AI和自動(dòng)駕駛汽車等新興應(yīng)用的需求已經(jīng)將4G網(wǎng)絡(luò)的功能擴(kuò)展到了極限，從而導(dǎo)致了下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)5G的發(fā)展。雖然3G和4G網(wǎng)絡(luò)專注于語音和數(shù)據(jù)服務(wù)，并且主要與智能手機(jī)相關(guān)聯(lián)，但5G提供了更