4G网络还要跟5G网络共存多久?

科技   2024-11-25 08:01   广东  
随着 5G技术革命的全面展开,超高速数据传输的承诺,无论用户身在何处,都能为他们提供实时、可靠的体验,并支持物联网 (IoT) 设备之间的通信现在比以往任何时候都更加接近成为现实。
从技术角度来看,网络设备制造商必须应对5G对更高微波的使用和毫米波频段第一波 5G NR 和 5G 之前的固定无线部署将以 28 GHz 运行,并部署 39 GHz也正在接受审判。6GHz 以下基础的 5G 工作也正在进行中站部署。随着这些更高的频率而来的是更宽的要求带宽高达 2 GHz。
网络设备制造商还必须处理将用于 5G的复杂技术,例如如波束赋形和大规模 MIMO。此外,集成度和更高频率的使用推动了无线测试的需求(OTA)。此 OTA测试将更准确地模拟在现实世界并提高可靠性。  
从商业角度来看,网络设备制造商面临的挑战是多方面的。随着第一个 5G NR 标准最近完成,网络设备制造商现在可以继续推进他们的5G产品,但需要与当前4G技术共存。

4G制造和开发需要继续发展。为了基站制造商,大部分 4G基础设施已经就位并销售正在放缓。5G基础设施尚未完善。结果,碱基数电台销量总体下降,收入也在下降。另一个问题是戏剧性的无线基础设施的平均售价 (ASP) 下降,这使得网络设备制造商资本支出和运营支出预算面临新的压力(图 1).
图 1:从 2007 年到 2016 年,基站 (BS) 和小型基站的平均售价均大幅下降。例如,部署基站的平均价格从 2G 的 25 万美元增至 4G部署的 1 万美元。随着 5G 部署,费用可能会低至 1000 美元
Source: IHS mobile infrastructure market size and forecast, March 2017

为了应对向 5G升级过程中的技术和业务挑战,NEM将需要采购设备来满足新的5G测试要求。同时随着5G设备升级的推进,他们现有的4G设备将无法得到充分利用。不断增加的资产基础,加上更新、高频、广泛的设备的高成本带宽、多通道测试仪器将进一步拉紧其紧张的资本支出和运营支出预算,使得更好的测试资产利用管理变得更加重要。网络设备制造商升级到 5G测试资产注意事项包括:


资本支出

资本支出(CapEx),即获取和安装资产的成本,是任何 NEM 的首要考虑因素迁移到5G。它是资产总拥有成本的重要组成部分(TCO)并且考虑到 5G 测试设备的预期更高价格标签,可能会与不断下降的无线基础设施销售价格相矛盾平均每年20%到30%。随着无线基础设施成本的下降,测试成本也必须如此。

技术更新

当前的测试设备可能无法提供更高水平的5G标准所需的测量能力。例如,5G 利用 MIMO技术,这意味着可能需要多个渠道;一些东西在今天的4G测试过程中可能不支持。网络设备制造商面临的挑战是如何获得正确的技术,以确保他们提前将产品推向市场竞争,同时最大限度地利用现有的测试资产。
技术更新为这一困境提供了答案,为网络设备制造商提供了一种简单且便捷的方式以经济高效的方式升级或以旧换新现有资产以获得所需的测试设备性能。一个例子可能是转向更新的模块化仪器基于PXI标准,满足当前的测试需求,同时也足够灵活随着 5G标准的发展,支持未来的变化。
那么

到底5g网络和4g网络有什么区别?

1G:这是指第一代无线电话技术,即移动通信。它使用模拟信号,速度高达2.4kbps。那时的大哥大没有屏幕只能打电话

2G(GPRS):这是指第二代移动技术。使用数字电信标准。数据速率介于 56-114kbps。2G 实现了语音通信数字化,功能机有了小屏幕可以发短信了。


3G(WCDMA/CDMA 2000/TD-SCDMA):指第三代移动电话技术。它提供 384kbps 的数据速率,因此可以轻松浏览网站和流式传输音乐。

而 4G 指的是第四代移动技术,被称为 LTE(长期演进)。比起1G-3G,它是这几种中最好的,与家中或办公室的 Wi-Fi 一样,稳定快速。

5G 是第 5 代移动通信技术(5th generation mobile networks)是新一代蜂窝移动通信技术,也是继4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系统之后的延伸。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。Release-15中的5G规范的第一阶段是为了适应早期的商业部署。
自 2020 年起,第五代(5G)无线通信网络开始在全球范围内大规模部署, 更多的关键能力正在标准化的进程中,例如大规模连接、高可靠性和有保障的低时延。
5G三大应用场景

5G 的三大应用场景包括增强型移动宽带(eMBB)、大规模机器类通信 (mMTC)与高可靠低时延通信(uRLLC)。5G 的关键性能指标(KPI)包括 20 Gbps 的峰值速率、0.1 Gbps 的用户体验速率、1 ms 端到端时延、500 km/h 的移 动速度支持、每平方千米 100 万设备的连接数密度、10 Mbps/m2 的流量密度、3 倍于第四代(4G)无线通信系统的频效,以及 100 倍于 4G 的能效。业界已提出 了多种关键技术来达到 5G 的性能指标,例如毫米波(mmWave)、大规模多输入 多输出(MIMO)、超密集网络(UDN)等。
关于 5G专网的 3GPP标准

5G专网标准

5G 进军工业世界的第一步是制定标准。5G 专网也需要政府参与监管频谱分配、民用和军 事应用,以及由行业提供试验、测试台和生态系统解决方案。很多行业组织都积极参与了 5G 专网标准的开发。其中包括大家熟知的第三代合作伙伴计划 (3GPP)和 5G 互联工业和自动化联盟(5G-ACIA)。


3GPP标准

第一个 5G 标准版本(3GPP 第 15 版)主要关注消费者服务。当前版本(第 16 版)和即将发 布的版本(图 1)为工业领域提供了特定功能。第 16 版为实现低时延引入了一系列重大增强, 其中包括:


• 上行链路抢占指示,其中 gNodeB (gNB)可以指示增强型移动宽带 (eMBB) 用户设备 (UE) 停止先前调度的上行链路传输,腾出信道传输来自其他 UE 的更高优先级、低时延流量 • 改进物理上行链路共享信道(PUSCH)重复功能

• 改进上行链路无授权传输,允许 UE 以更快的速度发送数据

• 改变上行链路控制信息(UCI),引入流量优先级概念

第 17 版增加了 5G 与时间敏感网络(TSN)的集成。该版本还将引入能够改善 5G 定位和减 少时延的功能,以及用于实现工厂自动化和远程控制应用的关键功能。


第 18 版将是首个正式纳入 3GPP“5G Advanced”标准的版本。这个版本将对网络智能做出 重大增强,包括在不同的网络层级上实施机器学习(ML)技术。对于要求更高的工业使用场 景来说,人工智能(AI)增强功能将至关重要。

图 3GPP 标准时间表

5G的三大特点


超高速大容量

4G峰值速率大概为 100Mbps,5G旨在实现比4G和LTE更快的超高速和大容量通信,未来将实现最大下行速度20 Gbps和最大上行速度10 Gbps。


目前下行最大速度为10Gbps,还不能满足5G的要求,但比4G和LTE快很多,如下表所示。
如果能够实现超高速、大容量的通信,就能够承受高质量的视频通信和海量数据的通信,因此体育赛事、现场表演等视频分发的质量将会提高, 用户能在几秒内下载 1 G 大小的高清视频。4K 视频需要最低 25Mbps 的下载速度,在 5G 环境下 4K 视频直播成为可能。另外,VR/AR 对带宽的需求是巨大的,5G为 VR 等虚拟化实现成为可能。
超低延迟通信

相比 4G 来说,5G 在现有的技术架构上进行了很大的优化和调整。为实现超低延时,5G 从接入网、承载网、核心网、骨干网各个方面一起着手进行。对于 5G,我们的目标是将延迟保持在 1 毫秒左右。通过将其缩短至4G的十分之一左右,有望实现远程位置的自动驾驶和实时机器人操作。在个人生活中,LINE、Skype等视频通话以及网络游戏比赛中出现延迟的可能性较小。


低延时微时隙

超可靠的低时延通信(URLLC)是三种主要的 5G用例之一,部分是通过微时隙实现 的。LTE 的传输遵守标准时隙边界,但没有为实现最小时延进行优化。如下图深蓝色部分所示,标准时隙有 14 个 OFDM 符号。如浅蓝色所示,时隙持续时间随着子载波间隔的增加而减少。微时隙的持续时间比标准时隙短,可以位于时隙内的任何位置。微时隙可以是 2、4 或 7 个 OFDM符号长度。使用微时隙,帧可以立即开始而无需等待到 达时隙边界,因此可以确保净荷的低时延。
子帧内的时隙、微时隙及相关的时隙持续时间
NR 子帧结构还允许在同一个子帧内动态分配 OFDM符号链路方向和控制信息。利用这种动态 TDD 机制,网络可以动态平衡 UL 和 DL流量需求,并在同一个子帧中包括控制和确认信息。时隙格式指示符(SFI)用于表示时隙中的给定 OFDM 符号是用于上行链路、下行链路还是灵活分配的。
时隙结构可以混合以动态改善流量。
在大幅度降低空口传输延时的同时,尽可能减少转发节点,缩短节点之间的距离。引入网络切片技术,把物理上的网络切片,划分为 N 张逻辑网络以适应不同应用场景。将核心网控制功能下沉,部署到接入网边缘,趋近用户,缩减传输距离,减少延时。
大容量

5G提高容量主要靠这么几个办法:多址技术从CDMA改成OFDM,使用更先进的信道编码和更高的频率,使用大规模MIMO天线。
超大规模 MIMO 和波束控制

随着5G 新空口(New Radio)正在快速来临,这个新的物理层标准定义了一个灵活的空中接口,用于支持 5G实现的多种用例将需要使用新的技术、在新频谱中工作。
这一切意味着更高的复杂性和更艰巨的设计挑战, 例如新的频谱和更宽的带宽、MIMO(多路输入、多路输出)和波束控制、空中(OTA)测试,以及 5G 新空口与其他无线通信系统的共存问题。

超大规模 MIMO 被广泛的认为是5G关键技术之一。这项技术的目的是充分利用空间多样性来改善系统的容量、能源效率和频谱效率。考虑到信道数量必不可少的大量增长以及可能的高波段使用(关系着更高的数据传输速率),超大规模 MIMO 测试及测量方法也面临着巨大的挑战。由于超大规模 MIMO系统的复杂性和多种可能的实现方法,一种低成本、高时效的测试测量方案和具有最重要价值的测试指标定义对于 5G大规模 MIMO 的实现是不可或缺的。

MIMO 和波束控制技术将能使网络达到更大的容量和更高的数据吞吐量,并有助于克服由于频率的增加而带来的信号传播问题。波束控制和波束赋形利用多个天线元件来创建定向高增益波束,用于克服在毫米波频率上特别普遍的路径损耗增加问题。与使用泛光灯照亮整个区域相反,波束控制就像是用小光束照向特定用户。无论是基站还是移动设备都需要感知位置,并且需要将波束指向彼此,以保持高质量的链路。
5G设备测试挑战

为了达到理想的性能水平,设备制造商需要在多个频段实施和测试多元天线技术——从 6 GHz 以下到毫米波频率。为了确保恰当的天线增益、旁瓣和零位深度,尽量提高信号的辐射效率,必须对设备的天线方向图进行表征。在 5G 中,由于设备或基站均不知道链路另一端的方向,因此采集信号的方法已经发生很大改变。5G新空口为建立链路定义了新的初始接入和连接程序。波束管理测试是一个新的重点测试领域,在设备设计期间必须对其给予高度重视,但这也进一步增加了 5G设备测试计划的复杂性。

克服 MIMO 和波束控制挑战的技巧:

• 在开发周期中,在进入硬件制造阶段之前,尽早通过系统级仿真验证天线的3D波束性能。

• 一旦您的设计进入硬件实施阶段,就可以通过天线扫描得到 EVM 和 ACPR测量结果,并据此来验证波束的性能和射频特性,以确定有多少波束特性会随着移动而发生变化。您应该使用 5G 新空口一致性波形生成工具和 3D 分析工具,通过经过校准的空中测试方法来完成这一过程。

• 在开发周期的早期阶段使用网络仿真器来测试协议,可以确保设备能够连接到网络并执行初始接入和波束管理任务,如切换和 4G回落程序。

• 添加信道仿真器以评测端到端性能以及真实的减损情况,例如过多的路径损耗或多径衰落。

5G网络设计中,信号质量使用 IQ星座图和数字误差矢量幅度EVM测量来表征

影响信号质量的因素有许多,包括基带信号处理、调制、滤波和上变频。IQ减损、 相位噪声、线性和非线性压缩以及频率误差都可能导致调制信号失真。设计人员在设计设备时,必须要克服宽带宽毫米波信号带来的物理挑战。评测信号的调制属性,可以得到关于信号质量最有用的指标之一。查看同相正交星座图,有助于确定和诊断失真错误。数字误差矢量幅度(EVM)测量可以从总体上说明波形失真的情况。


5G网络调制方案的密度增加
但是,5G将不能满足 2030 年之后的未来网络需求。研究人员开始着眼于第 六代(6G)无线通信网络的研发。
6G的研究已经启动,预计在2030年实现商用化

虽然5G尚需时日才能成为主流,但针对6G的研究已经启动,预计在2030 年实现商用化。这种新一代无线技术有望让我们以全新方式与周围环境互动,并在各行各业中创造新的应用模式。


6G 的新愿景是实现近乎即时和无处不在的连通性,彻底改变人类与物理世界和数字世界交互的方式。这意味着 6G 将采取新的方式利用数据、计算和通信技术,让它们进一步融入社会。这项技术不仅能够支持全息通信、触觉互联网、智能网络运营、网络与计算融合,还能够创造更多 激动人心的机会。6G 将在 5G 的基础上进一步扩展和强化功能,标志着关键行业将迈入无线新时代,加速实施数字化转型和业务创新。
6G与5G的不同之处

中国乃至全球的5G建设如火如荼,而全球6G技术的研发其实也正在紧锣密鼓的进行。那么从5G到6G,是技术的平滑升级还是彻底地颠覆呢?要回答这个问题,就必须搞清楚:

6G通信与5G通信有哪些不同?

从测试角度,我们把它总结为三大不同:
不同之一:KPI更强

测试首先要根据KPI进行测试,参考了许多关于5G与6G的白皮书的描述,6G相对于5G,在系统所能达到的关键KPI的对比如下:

从上面的图可以看出,同5G相比,6G将提供更高性能的无线连接和极致的用户体验,峰值速率可以达到Tbps,用户体验速率可以达到10~100Gbps,简直可以和光纤媲美。如果真的可以实现,那么家里的无线路由器甚至是光猫,是不是可以不要了呢?除此之外,6G网络可以提供0.1ms的延迟,10倍于5G的连接密度以及厘米级的定位精度和极高的系统可靠性,为将来的元宇宙以及各类垂直行业的数字化提供了可能。你觉着这种KPI够颠覆吗?
不同之二:应用更广

应用更广包含两个层次,一个是应用行业的扩展;另外一个是应用物理空间的扩展。

首先是应用行业的拓展,5G将基本实现万物互联,并生成了三大应用场景,也就是我们所熟知的增强型移动宽带(eMBB)、超高可靠低时延通信(uRLLC)、海量机器类通信(mMTC)。那么6G除了在这些应用上随着KPI的增强而继续拓展这些业务外,还发展了两个非常关键的场景,一是人工智能,第二个是网络感知。这得益于6G的超低延时,更近距离定位等新的性能特性。在物理空间上的拓展,这主要是指将来的6G,会与卫星通信如中继卫星和低轨道卫星通信相融合,真正实现不同维度,包括空中、卫星、海洋和沙漠等立体化通信的需求。在6G网络环境下,一个人不但可以实时感知他自己周围的环境,也能瞬间感知万里之外的环境,将给人类带来意想不到的惊喜。例如,你正在出差中,可以利用6G通信中卫星的拍照功能,随时拍一张你家院子的照片,看看你的宠物是否还在院子里?这个应用够颠覆吗?

不同之三:测试更难

这个很好理解,因为除了已有的技术外,6G还将使用更新的技术。


现在有两个非常热的技术:
一个是太赫兹通信技术,及6G将来可能使用比现在5G的毫米波频段更高的频段,即Sub-THz(100–300 GHz)和THz频段(300 GHz – 3 THz),以使得6G通信获得更高的带宽。然而,大家都清楚,频段越高,一些器件包括芯片、放大器等的设计就更复杂,测试也就更难。是德科技也在与我们的客户合作,开发用于6G通信的THz和Sub-THz的测试方案。
是德科技 Sub-THz研究测试台
另外,还有一项非常有意思的6G通信预研技术,即可重构智能表面技术(Reconfigurable Intelligent Surfaces),也叫智能超表面技术,它是3GPP R18中提出的一个技术。各个国家包括我国很多知名大学、研究所、设备商包括运营商,都在积极的开展研究和实验,并取得了较快的进展和不错的成果。RIS技术联盟与去年12月份成立,因此2021年更被业内专家成为“RIS技术元年”。还有人预测,RIS技术有可能在5G-Advanced时期就会落地。RIS技术是一个及其复杂的交叉学科技术,这里对技术细节我们不做过多的扩展,而仅来说明其核心思想,将来我们可能会单独做一个RIS的专题。
众所周知,无线通信实际传输的环境非常复杂,有干扰、多径、时延以及多普勒频移等各种信道特性。传统的通信系统,都是尽其所能的去研究传输信道的特性,定义各种传输信道的模型,然后在电路设计和系统设计时,尽可能地去适应信道特性,从而获得好的通信效果。实际的做法是在产品和系统研发设计过程中,在实验室用信道模拟器来模拟真实的传输环境,对产品进行各种性能测试。是德科技的信道模拟器就帮助广大用户极大地优化了他们的产品设计。
是德科技信道模拟器PropSim系列
用于各种通信信道的模拟 而RIS的理念不同,它不再“逆来顺受”,而是主动出击去“改变”信道的传输环境。简单的理解就是通过一块具有可控特性的特殊介质(人工合成的超级材料)的表面,来收集发射机发出的信号,再把这些信号“转给”接收机,从而改善通信的效果。现在一些针对单cell和静止单用户的情况下的前期预研测试已经在进行当中,但是离真正的落地仍然还有很长的一段路要走。但无论如何,多数研究者认为,智能超表面技术是一种低成本、低能耗的调控电磁波的变革型新兴技术。你认为这个技术够不够颠覆?
RIS超表面示意图
以上从三个视角简要介绍了6G与5G的不同之处。
"6G 将会进一步改善人与人之间以及人与环境之间的关系,而量子技术则会彻底颠覆计算,这些新兴技术将持续改变我们的世界。
来源:是德科技



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