了解5G与4G差异区别在那里

  • 时间 :2018-07-27
  • 作者 :佰马科技
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       5G现在很火,5G与4G差别在那里,大家都知道5G比4G快,但又不是很清楚具体差别在那里. 下面我们从一些细节来对比5G与4G的差别.


5G网络主要有三大特点,极高的速率,极大的容量,极低的时延。相对4G网络,传输速率提升10~100倍,峰值传输速率达到10Gbit/s,端到端时延达到ms级,连接设备密度增加10~100倍,流量密度提升1000倍,频谱效率提升5~10倍,能够在500km/h的速度下保证用户体验。 


与2G、3G、4G仅面向人与人通信不同,5G在设计之时,就考虑了人与物、物与物的互连,全球电信联盟接纳的5G指标中,除了对原有基站峰值速率的要求,对5G提出了8大指标:基站峰值速率、用户体验速率、频谱效率、流量空间容量、移动性能、网络能效、连接密度和时延。


从以下面几方面: 毫米波,基站,MIMO技术,波束赋形技术,D2D技术使终端点对点

毫米波是速度提升的关键
众所周知,现如今我们使用的手机所发射和接受的信号就是电磁波。不过由于电磁波的频率是有限的,不同的工作所用到的电磁波又不能相互干扰,所以,全球统一协商将有限的电磁波频率统一划分出不同的用处,比如,极低频率被应用于超远距离导航、至高频率被应用于波导通信。


而我们手机通讯用的电磁波频率,则是被分配到了中频—超高频段。简单来说,从2G到3G一直到5G,其实就是频率的递增。随着频率的提高,频段也在逐步加宽。


三大运营商网络制式所占频段.png


比如,4G时期,我国运营商采用的频段大致是2555-2575MHz。而5G目前国际上主要采用28GHz进行试验。

很直观的可以看出5G相较于4G的频段不止高了一个数量级。如果我们将频率代入到光速以及波长的公式就会得出很有意思的结果。以5G的28GHz为例子:

28GHz为例计算波长.png

然后我们就能得出5G下的波长约为10.7mm(毫米),这也就是我们常说的5G毫米波。


5G和4G形象对比图.png



        不过需要注意的是,虽然毫米波可以带来更大的传输速度,但是毫米波也有致命的缺点——毫米波在空气中衰减较大,且绕射能力较弱。简单来说,用毫米波实现信号穿墙是非常困难的。为了解决这个问题,就要用到微基站技术了。


微基站使用户均衡获取信号

前面说到,由于5G毫米波穿透力较差并且在空气中衰减很大的弱点,如果5G仍然采用以往在3G、4G时期使用的“宏基站”,就不能为稍远的用户提供足够的信号保障。


宏基站.png


微基站

为了应对这个困难,5G开始才用全新的基站——微基站。顾名思义,微基站做的足够小的基站。为了更容易理解宏基站和微基站的区别,我们用一个取暖的例子来形象的比喻宏基站和微基站。



宏基站散热方案.png

宏基站:在一个寒冷的冬天,一个班级里面只有一个炽热的火炉,老师为了让班级暖和起来,将这个炽热的火炉放在班级的正中间。结果事与愿违,班级整体并没有都热起来,仅仅是距离火炉比较近的几个学生暖和(事实上,由于温度太高,可能已经有灼热的感觉)而距离这个火炉很远的在班级边缘的学生可能丝毫感觉不到火炉的温度,冻的瑟瑟发抖。



微基站散热方案.png

微基站:如果我们将上述班级中心炽热的火炉“拆分开”,分成四五个火炉,虽然每个小火炉的功率不及原先的大火炉,但是我们将这几个小火炉平均分到班级的各个区域,这样每个人都能感受到暖意了。所以,微基站不仅在体积上要远远小于宏基站,在功耗上也会有所降低。


为什么宏基站的天线都那么大,而微基站的天线这么小?或者引申一下,为什么以前我们的手机都要长长的天线,而现在我们的手机都“没有”天线了?


天线的长度与波长的关系.png


天线的长度与波长的关系

这是因为,随着频率逐渐升高,该频率相对应的波长在逐渐的缩短,而天线也就跟着变短了!根据实验得出的数据显示,天线的长度大约为波长的1/10~1/4。所以,5G的毫米波,也就使得天线达到了“毫米”的级别。


MIMO使带宽容量提升数十倍

5G时代的“毫米”天线能带来一个巨大的好处,那就是可以在微小的基站中放入更多的天线。

MIMO技术.png


这就用到了MIMO技术,英文全称是Multiple-Input Multiple-Output,意为“多进多出”,说白了就是基站的天线变多了,并且手机的接受能力也变强了,源头上多根天线发送,接收对象多根天线接受。

而5G由于可以放入更多的天线,也就成为了加强版的Massive(海量的)MIMO技术。


老式大天线基站.png


虽然4G时期已经开始使用MIMO技术,但是4G时期由于天线比较大,一般都是使用4天线、8天线居多,并没有做到“大规模、海量”的Massive MIMO天线。


Massive-MIMO.png


到了4G时期,当频率处于30Ghz时,基站最多可使用256个天线同时收发信号,5G可以将移动网络的带宽容量提升数十倍乃至更大。


信号像手电筒“精准打击”用户

虽然现在信号和天线的问题都解决了,但是5G还有一个问题困扰着我们,就是我们放射信号的时候能不能不像4G那样漫无目的的放射,虽然有一个很大的覆盖面,但是利用率却有高有低。能不能“精准打击”只给有需要的人用,从而节省资源。


4G像电灯的信号发射形式.png


通俗的说,4G就像电灯一样,打开电灯后,不管某一个地方需不需要光,这束“4G”之光都会覆盖到,一定程度上造成了资源的浪费。


波束赋形技术.png


到了5G,为了解决这种资源浪费的行为,开始使用波束赋形技术。波束赋形是什么?了解波束赋形技术


5G像手电筒的信号发射形式.png


简单来说,5G将4G的电灯变成了“手电筒”,如果在一间黑屋子里点亮这盏5G“手电筒”,他不会使整个屋子都亮,而是寻求特定的有需求的方向打击。


D2D技术使终端点对点沟通

5G另一项领先的地方就是可以实现基于蜂窝网络的D2D通信,也被称为邻近服务,通过此技术,用户的数据可以不经基站中转就可以直接在两个终端之间进行传输。


D2D通信网络架构示意图.png


使用D2D技术,一举两得——即可以节约大量空中资源,同时也减轻了基站的压力。

不过,你不要认为这样就可以逃过运营商的“魔爪”,不用交通信费了,因为总的信号控制和资源分配还是通过基站来进行调控的,所以,我们还是要乖乖给运营商交钱。

总的来说,5G虽然只比4G多了“1G”,但是这“1G”蕴含的内容和进步可是太多了,无论是带宽还是基站,5G相较于4G都有了“质”的飞跃。




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