【程序人生 編者按】對于技術人來說，知其然，更要知其所以然。人們都知道，5G比4G快。那么到底快在哪里？因為什么這么快？我們請到了北郵通信博士崔原豪、知乎大V“甜草莓”來為大家剖析這個問題！

作者 |?崔原豪

責編 | 胡巍巍

出品?| CSDN（ID：CSDNnews）

事實上不是“5G比4G要快”，而是“為了比4G快，提出了5G”。3G以后的每一代無線通信都是先提出目標，然后再考慮系統(tǒng)設計和技術選用。
所以我們可以看看4G與5G所提出關于“快”的定義(目標)分別是什么：大概可以理解為傳輸速率快，傳輸延遲低。

傳輸速率快

任何對通信數(shù)據(jù)傳輸速率的提升都繞不開香農信道容量公式：那就很容易理解咯，我們在5G也會采用同樣的方式來提高數(shù)據(jù)傳輸速率: 提升頻帶寬度和提升信噪比。具體起來就是：毫米波（提升頻帶寬度）；更先進的波束賦形（提升信噪比）；超大規(guī)模天線，全雙工無線（提升頻帶寬度和信噪比，空域）。毫米波1-4代無線通信中采用的300MHz-3GHz頻譜有穿透性好，覆蓋范圍大等優(yōu)點，但是有一個很重要的缺點：就是頻帶寬度太窄了！！這個頻段內的無線設備太多了！！頻譜已經(jīng)快分完了。頻譜又不存在負的，所以為了大容量高速率數(shù)據(jù)傳輸，只有往3GHz以上尋找可用頻譜。我們往上看看，那就是毫米波頻段了(3GHz-300GHz)。毫米波頻譜中存在兩個特殊部分，氧氣吸收頻段(57-64GHz)和水蒸氣吸收頻段(164GHz-200GHz), 這兩種頻段不能用來通信，所以毫米波頻段共有252GHz頻帶寬度可供使用 (此處應該再強調一下1-4代商用通信全都擁擠在3GHz以下頻譜里)。當然實際上5G是用不了那么多頻帶的，在各國毫米波頻譜劃分里，分給5G的毫米波頻段寬度大概有3-6GHz，這已經(jīng)足夠把數(shù)據(jù)傳輸速率提升10倍左右了。不過需要強調的是，5G標準需要三種頻段，毫米波頻段主要負責高速數(shù)據(jù)傳輸，目前毫米波的標準還未確定。雖然毫米波已經(jīng)在雷達，航天和軍用通信中都有使用，但是在民用通信中還有很多很多挑戰(zhàn)。這也是當前非常非常火熱的無線通信研究方向，在這篇回答里就不深入介紹了。?更先進的波束賦形4G中的基站天線是定向天線和全向天線混用，5G中由于毫米波覆蓋范圍窄，路徑損耗大，復雜天氣影響嚴重，所以需要通過波束設計完成發(fā)射能量聚焦，從而提升接受信號能量，提升信噪比(此處請回憶信道容量公式)，和覆蓋范圍。波束賦形后的方向性波束可以幫助提升基站覆蓋范圍。而且，基站能量會更加有效。實際上，由于5G中的波束賦形涉及Massive MIMO和毫米波的窄波束用戶追蹤、小區(qū)間波束切換調度和基站的LOS和NLOS問題，會更加困難一些，這同樣這是一個很棒的無線通信研究方向。現(xiàn)在學術界很多人在考慮通過在基站覆蓋范圍內劃分扇區(qū)，來幫助多天線波束切換。Sectorized Antenna超大規(guī)模天線（Massive MIMO）

無線通信中的多天線系統(tǒng)需要對每個天線賦予權重，才能提高空間分集/或復用增益。而現(xiàn)實情況下，這種算法是非線性的且計算復雜，天線越多越復雜。

但是令人驚奇的是，當天線數(shù)目非常非常多的時候，簡單的線性預編碼就可以很好的逼近最優(yōu)結果。所以Massive MIMO自從提出就吸引了大量目光。5G中Massive MIMO可能會有大量應用，不僅僅是大型宏基站，小型的毫米波發(fā)射器也有可能會裝備Massive MIMO系統(tǒng)，因為毫米波天線波束窄，天線長度短，更適合Massive MIMO應用。回到話題，Massive MIMO的好處是最大程度利用空域 資源，可以通過波束賦形同時提供多個波束服務小區(qū)用戶，并可以同時提高用戶的信噪比，提升數(shù)據(jù)傳輸速率。但是Massive MIMO中預編碼，信道估計一直是個難題。全雙工無線電（目前不在Release 15中）現(xiàn)存所有無線發(fā)射裝置都是半雙工的，半雙工的意思是發(fā)送信號的同時不能接受信號否則會干擾自己（畢竟不是人類，自己說的話暫時還區(qū)分不清楚）。
全雙工無線電就是同時收發(fā)信號，這樣可以把數(shù)據(jù)傳輸速率X2，當然代價是圖中的自干擾(紅色圓弧)問題，甚至當用戶過多時，用戶之間的干擾也會X2。5G里的核心網(wǎng)設計是以C-RAN為主，這意味著可以通過中心化調度減輕自干擾，同時可以利用方向性天線，波束賦形，吸收屏蔽(absorptive shielding）和交叉極化(cross-polarization )完成收發(fā)機之間的孤立。
這樣全雙工無線電是可以應用在5G中的。上述就是5G中的物理層技術進展，聯(lián)合起來使用，也就是怎么做到“傳輸速度快”的。

傳輸延遲低

我們這里說的延遲是round-trip latency，大概可以理解為數(shù)據(jù)在接入網(wǎng)和核心網(wǎng)中往返所需的總時間。因為無線電的傳播速度是相對固定的，無法壓縮，所以有兩種方法降低：降低信令損耗和壓縮網(wǎng)絡處理過程。?降低信令損耗的方式就是盡量減少不必要的信令，比如

• 通過全雙工技術減少信道估計時間，
• 因為毫米波的多普勒擴展很少，所以可以縮減OFDM信號的CP前綴，壓縮OFDM幀長度，
• 通過網(wǎng)格化設計毫米波基站，降低干擾和時延

壓縮網(wǎng)絡處理，形象理解就是扁平化公司等級，把決策權力下放。這樣“向上匯報”次數(shù)少了，就會顯著降低網(wǎng)絡中不必要的開銷。這其它答主也有提到。標準的壓縮核心網(wǎng)方式，就是“不經(jīng)過不必要的處理單元”，換句話是控制結構和數(shù)據(jù)傳輸結構分離。當然現(xiàn)在還有很多其他的解決方案。一種比較好的壓縮網(wǎng)絡結構思路是現(xiàn)在學術界很火熱的“fog computing”霧計算，就是把一些重復性計算工作下放，用無線接入端（基站等）做計算處理單元。這樣就可以當做一種另類的“計算緩存”，大大降低網(wǎng)絡延遲。另外一種是非常正統(tǒng)的，當然也是非常熱的研究方向"wireless caching”無線緩存，這種思路是緩存內容，以降低傳輸延遲。
fog computing這些就是5G中的延遲部分進展，主要是MAC層技術，大概在講怎么有效調度資源，怎么降低時延。?5G中還有其他很多不同的指標，比如“降低能量損耗”，“提高用戶服務質量”，“提高小區(qū)容量”，這是每一句話都是一個非常大的話題，背后有很多研究所，很多大學都做出了非常棒的工作，其中的每個小領域都有很多人在研究，但是因為跟問題無關我就不仔細介紹了。所以，您也可以看到，5G是通信產業(yè)界和學術界聯(lián)合運作的結果，標準組織(產業(yè)界)提指標，選擇合適技術和指導技術方向，研究機構和大學提出解決方案，完善技術路線（當然，時間順序并不一定是這樣的)。如果解決方案中有瑕疵，那么學術界繼續(xù)完善，最終達到性能指標。產業(yè)和學術一起合力，最后才是完整的5G。還想聽更多作者的發(fā)言？

11 月 7 日，CSDN 邀請到本文作者——北京郵電大學信息與通信工程博士，芬蘭阿爾托大學聯(lián)合培養(yǎng)博士，知乎通信領域優(yōu)秀回答者，崔原豪，為大家分享5G 中的機器通信技術。

干貨課程分享，不可錯過~

課程信息

主題：北郵博士解讀 5G 中的機器通信，從mMTC到URLLC！

時間：11 月 7 日 20:00 -- 21：30

主講人：北京郵電大學信息與通信工程博士，崔原豪

（掃碼報名，免費聽課）

課程大綱

1. 5G的標準演進、重要場景和指標

2.?蜂窩網(wǎng)中的機器通信發(fā)展和低功耗廣域網(wǎng)(mMTC、URLLC和LPWAN)

3.?機器通信的業(yè)務需求和指標

4.?5G標準中機器通信的新技術和未來可能

講師介紹

崔原豪，北京郵電大學信息與通信工程博士，芬蘭阿爾托大學聯(lián)合培養(yǎng)博士，知乎通信領域優(yōu)秀回答者，2018年度榮譽會員，曾擔任TWC，TCOM，TAES等多個通信領域頂級期刊和會議審稿人。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的5G 比 4G 快，不只是因为......的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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