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中國押注Sub-6G,美國選擇毫米波,一口氣搞懂5G兩大方案的區別

2019-10-09 09:13 世界采編

導讀:今年是5G元年,5G非常火熱。那大家都了解5G到底是什么嗎?今天我們就來詳細了解一下。

今年是5G元年,5G非常火熱。那大家都了解5G到底是什么嗎?今天我們就來詳細了解一下。

5G到底是什么?

5G的全稱是第五代移動通信技術(5th generation mobile networks),

1G(語音通話):第一代(1G)于20世紀70年代末推出,80年代初投入使用。1G網絡是利用模擬信號使用類似AMPS和TACS等標準在分布式基站(托管在基站塔上)網絡之間“傳遞”蜂窩用戶。

2G(消息傳遞):在20世紀90年代,2G移動網絡催生出第一批數字加密電信,提高了語音質量、數據安全性和數據容量,同時通過使用GSM標準的電路交換來提供有限的數據能力。

3G(有限數據:多媒體、文本、互聯網):20世紀90年代末和21世紀初,3G網絡通過完全過渡到數據分組交換,引入了具有更快數據傳輸速度的3G網絡,其中一些語音電路交換已經是2G的標準,這使得數據流成為可能,并在2003年推出了第一個商業3G服務,包括移動互聯網接入、固定無線接入和視頻通話。

4G和LTE(真實數據:動態信息接入,可變設備):4G充分利用全IP組網,并完全依賴分組交換,數據傳輸速度是3G的10倍。由于4G網絡的大帶寬優勢和極快的網絡速度提高了視頻數據的質量。LTE網絡的普及為移動設備和數據傳輸設定了通信標準。

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而5G相比于4G則增加了高速率、泛在網、低功耗、低時延的特點,從而具備超大網絡容量,提供千億設備的連接能力,滿足物聯網通信。目前,5G時代定義了以下三大應用場景:

eMBB:增強移動寬帶,顧名思義是針對的是大流量移動寬帶業務;

URLLC:超高可靠超低時延通信,例如無人駕駛等業務(3G響應為500ms,4G為50ms,5G要求0.5ms);

mMTC:大連接物聯網,針對大規模物聯網業務;

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而5G標準則被分成了分成了R15、R16兩大階段,其中R15又分為三部分,R15 NR NSA(新空口非獨立組網)標準2017年12月完成,R15 NR SA(新空口獨立組網)標準2018年6月完成,后邊的5G Late Drop于今年6月份凍結,而R16標準完成時間則要到2020年6月,到那個時候,5G所有標準才算完成。R15標準主要是5G組網方式,而R16主要是面向智慧工廠、無人駕駛等垂直領域應用。

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如今完成的R15階段的NSA和SA一直被人所廣泛熱議。

為什么會有NSA也就是非獨立組網出現呢?不同于以往2G/3G/4G整體演進,5G時代核心網、基站被分開了,所以就多出了多種組合方式。R15 Late Drop標準也是為 NSA 增加了更多的組合方式,可以令移動運營商可以更便捷部署5G網絡,主要是增加NSA非獨立組網模式,轉換為5G作為核心網,增加了5G基站為主,4G基站為輔;或者4G基站為主,5G基站為輔兩種狀況。此外還支持NR-NR雙連接,意思就是手機同時連接到兩個不同頻段上,低頻作為覆蓋層,高頻充當擴容層,既保證了信號覆蓋又能提高傳輸速率。

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目前商用的5G手機中只有華為手機支持SA組網,SA組網是未來發展趨勢,但并不代表NSA是假5G,目前中國運營商很多都是用的NSA,5G的發展是由NSA向SA過渡的。明年所有手機都會支持NSA/SA,建議大家明年再買!

5G兩大方案:Sub-6G和毫米波

5G的建設方式有獨立組網和非獨立組網兩種,那你想要建設什么樣的5G,其實也有兩種,也就是我們說的5G兩大方案:Sub-6G和毫米波。

這兩種方案是根據5G所使用的不同頻譜來劃分的,頻譜是頻率譜密度的簡稱,手機通訊信號傳輸都是通過一定頻率傳輸的。

根據2017年12月發布的 V15.0.0版TS 38.104規范,5G NR的頻率范圍分別定義為不同的FR:FR1與FR2。第一種(FR1)的重心放在6GHz以下的電磁(EM)頻譜上(“低到中頻段頻譜”,也稱為“Sub-6”),主要在3GHz 和4 GHz頻段。第二種FR2側重于24~300GHz之間的頻段(“高頻頻譜”或“毫米波”)。

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5G NR的頻段號以“n”開頭,與LTE的頻段號以“B”開頭不同。目前3GPP指定的5G NR頻段如下:

① FR1(Sub-6GHz)范圍內:

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② FR2(毫米波)范圍內:

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波長較短的毫米波會產生較窄的波束,從而為數據傳輸提供更好的分辨率和安全性,且速度快、數據量大,時延小。其次,有更多的毫米波帶寬可用,不僅提高了數據傳輸速度,還避免了低頻段存在的擁堵(在研究毫米波頻率應用在5G之前,該頻段的主要運用在雷達和衛星業務)。5G毫米波生態系統需要大規模的基礎建設,但可以獲得比4G LTE網絡高20倍的數據傳輸速度。

高通在MWC的展示中,通過運用毫米波技術,達到了4.63Gbps的網絡傳輸速率,這是一個在4G時代無法想象的快速。

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但受制于無線電波的物理特性,毫米波的短波長和窄光束特性讓信號分辨率、傳輸安全性以及傳輸速度得以增強,但傳輸距離大大縮減。

根據谷歌對于相同范圍內、相同基站數量的5G覆蓋測試顯示,采用毫米波部署的5G網絡,100Mbps速率的可以覆蓋11.6%的人口,在1Gbps的速率下可以覆蓋3.9%的人口;而采用Sub-6頻段的5G網絡,100Mbps速率的網絡可以覆蓋57.4%的人口,在1Gbps的速率下可以覆蓋21.2%的人口。

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谷歌測試結果對比,上為毫米波覆蓋,下為Sub-6覆蓋

可以看到,在Sub-6下運營的5G網絡覆蓋率是毫米波5倍以上。而且建設毫米波基站,需要大約在電線桿上安裝1300萬個,將花費4000億美元,如此才能保證28GHz頻段下以每秒100 Mbps速度達到72%的覆蓋率、每秒1Gbps的速度達到大約55%的覆蓋率。而Sub-6只需要在原有4G基站上加裝5G基站即可,大大節省了部署成本。

目前因為美國政府尤其是軍方將大量3-4GHz范圍內的頻段用于軍用通信和國防通訊,迫使美國只能選擇押注毫米波。

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中國選擇押注Sub-6G,按3GPP關于5G的頻譜范圍規范,聯通、電信舍棄了之前的頻譜資源,換來了目前產業成熟度最高的3.5GHz資源(3400MHz-3500Mhz分配給中國電信,3500MHz-3600MHz分配給中國聯通);移動則在2.6GHz頻段和4.9GHz頻段上持續深耕。

另外,中國雖然押注Sub-6G,但是并沒有放棄對毫米波的探索,充分貫徹了雞蛋不放在一個籃子里的理念。

中美5G建設狀況

剛才我們說道,美國5G毫米波存在缺陷,所以目前Sub-6G中的3Ghz和4Ghz之間的頻譜波段主導了全球的5G活動,因為相比于毫米波頻譜,3Ghz和4Ghz的傳播范圍得到了改善,能用更少的基站數量提供相同的覆蓋范圍和性能。

而中國也成為了全球5G的領先者,并且有望成為5G全球經濟的領導者,構建5G全球標準:

中國計劃部署第一個廣泛使用的5G網絡,其首批Sub-6網絡服務將于2020年投入使用。先發優勢可能會推動智能手機和電信設備供應商以及國內半導體和系統供應商的市場大幅增長。因此,中國的互聯網公司將為其國內市場開發基于5G速度和低延遲性能的服務和應用程序。隨著5G在全球以類似的頻段部署,中國的智能手機和互聯網應用及服務很可能占據主導地位,即便它們被美國市場排除在外。中國在5G領域的發展,將重現美國在4G領域的輝煌。

在海外,中國一直在與國家和外國公司保持合作,以擴大其5G的影響力。在歐洲,盡管美國官員要求盟友阻止中國公司,華為和中興仍然正在為個別國家的5G網絡提供建設的服務,并簽署了多項5G合同。此外,中國在“一帶一路”計劃中投入了大量時間和資源,包括推動中國建設的網絡基礎設施,以提供跨越整個路線的連通性。這一策略已經取得了一些成功:在2018年第三季度,華為在全球通信設備市場占有28%的份額,比2015年上升了4個百分點。隨著更多地區的5G網絡依賴中國通信設備推出,預計華為的市場份額將繼續增長。這些努力將使中國能夠推廣其首選的5G網絡標準和規范,并將在未來主導全球的5G產品市場。

而美國還在思考如何完全解決毫米波的缺陷,目前美國試圖通過大規模MIMO和波束賦型改善毫米波的傳播效率。

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大規模MIMO是一種天線陣列,它將極大地擴展設備連接數和數據吞吐量,并將使基站能夠容納更多用戶的信號,并顯著提高網絡的容量(假設存在多個用戶射頻路徑)。波束賦型是一種識別特定用戶的技術,該技術可以最有效的把數據傳遞給特定用戶并減少附近用戶的干擾。雖然這些技術可以改善毫米波的傳播效率,但是在更大范圍內保持連接穩定仍然存在挑戰。在將毫米波作為一種更通用的無線網絡解決方案部署之前,還需要投入大量的時間和研發成本來解決毫米波的傳播特性問題。

中國押注Sub-6G,美國選擇毫米波,一口氣搞懂5G兩大方案的區別

除此之外,美國還在思考是否要轉投Sub-6G方案,跟著中國走。

加速在美國進行5G 6 Sub-6 GHz的部署。向復雜的多頻段收發器添加新頻段大約需要兩年時間,美國將能夠通過利用市場上已有的子組件和設備來實現更成熟的頻譜使用,例如使用現有的高通產品來實現中國5G系統使用的頻段,從而避免花費額外的時間來彌補追趕這兩年在5G研究上的落后。

然而即使通過共享頻譜的方式,也需要花費5年:

想要允許Sub-6頻段的商用,可以重新規劃政府的頻段或者共享這些頻段,但這兩個方式的時間都相對過長。清除頻譜占用(將現有的用戶和系統遷移到頻譜的其他部分),然后通過拍賣、直接分配或其他方法將其釋放到民用部門所花費的平均時間通常在10年以上。共享頻譜是一個稍微快一點的過程,因為它不需要對現有的用戶進行徹底的改革,但即使是這樣,也要花費5年以上的時間。

中國押注Sub-6G,美國選擇毫米波,一口氣搞懂5G兩大方案的區別

可以說目前美國已經陷入了5G的困局之中,而中國在5G的發展上正走得十分穩健。工信部近日表示,目前各地所推進的基本上為非獨立組網的5G網絡,預計明年我國正式大規模投入建設獨立組網的5G網絡。

中國信息通信研究院的《5G產業經濟貢獻》認為,預計2020至2025年,我國5G商用直接帶動的經濟總產出達10.6萬億元,間接拉動的經濟總產出約24.8萬億元,5G將直接創造超過300萬個就業崗位。

最為重要的是,中國將可能成為全球5G的領導者,重現美國在4G時代的全球經濟主導權。

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數據來源:美國國防部國防創新委員會發布了《5G生態系統:對美國國防部的風險與機遇》(《THE 5G ECOSYSTEM: RISKS & OPPORTUNITIES FOR DoD》)報告


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