5G的场景、需求、通信速率

5G三大典型场景

5G有三大典型场景，这三大场景描述了5G的需求也反应了5G与4G的不同，如图所示，三大场景分别为：增强型移动宽带通信（eMBB），大规模机器型通信（eMTC）和超高可靠性超低延时通信（uRLLC）。

• eMBB提供了更高的传输速率和用户体验，5G中下行峰值传输速率将达到20Gb/s，而4G的下行峰值速率只有1Gb/s，超高的速率会让虚拟现实、增强现实等成为可能；
• eMRT将实现万物互联，智能家居、智能电网等；
• uRLLC可将通信延时降低到毫秒以下，实现触觉互联，而4G中的延时在70毫秒左右，5G的超低通信延时和高可靠性传输可实现汽车自动驾驶等。

5G需求

如果只用一个公式来直观描述5G需求的话，我认为应该是如下公式：

所以，提升网络吞吐量可以主要从三方面着手实现，即提升通信带宽，提高小区密度以及提高频谱效率。相应地，可以通过如下技术实现：毫米波通信、Small cell以及大规模MIMO技术。

1、提升通信带宽–代表技术毫米波

当前无线通信使用的大多是6 GHz以下频段，然而随着用户数和智能设备数量的增加，有限的频谱带宽需要服务更多的终端，导致每个终端的服务质量严重下降。为了解决频谱资源有限的问题，一个可行的方法便是开发新的通信频段，拓展通信带宽。正因如此，目前有很多运营商或者设备供应商在开展毫米波频段通信的测试。

毫米波频段是指30-300 GHz的频段（如上图所示），相对比原来的6 GHz以下频段，是个非常丰富的频段资源，在这个频段上无线电波的波长在1-10 mm之间。由于毫米波波长较短，在实际通信中传输损耗特别严重，空气中的水蒸气等都会导致其产生严重的衰落，并且以直射波的形式传输，是一种典型的视距传输方式，穿透能力极差，墙体、树叶等都会导致信号的阻断，所以目前毫米波多用在基站与基站之间、雷达、卫星等的传输上（基站架设在高出，彼此之间通常没有建筑物的阻挡）。

因毫米波频段具有高衰落特性，所以可以与大规模MIMO技术结合，来加强信号强度，或与small cell技术结合，来加强信号传播的距离。

2、提高小区密度–代表技术Small cell异构网络

Small Cell是一种低发射功率，小范围覆盖的基站设备。Small Cell作为3G/4G宏蜂窝的补充，能够使运营商以更低的代价为用户提供更好的无线宽带语音及数据业务。随着LTE网络容量的不断提升，移动运营商正在为增长的数据流量发愁，很多运营商认为分流移动数据是高效使用无线频谱资源的好办法。Small Cell在这方面正扮演着越来越重要的角色，更多的Small Cell用来覆盖盲区以及分担流量压力。Small Cell具有灵活、快速部署的优点，可以解决热点吸收、盲点、弱覆盖场景的网络覆盖问题，实现网络无处不在。

Small Cell是低功率的无线接入节点，工作在授权的频谱，覆盖10~200m的范围，相比之下，宏蜂窝的覆盖范围可以达到数公里。

Small Cell的产品形态比较灵活，可分为家用Femtocel（2×50mW）、室外Picocell（2×1W，室外补盲/吸热）、室内Picocell（2×125mW，企业级室内覆盖）、Microcell（2×5W，室外补盲），都由运营商来管理。

Small Cell可以用于室内和室外，进行覆盖补盲、热点业务吸收、提升网络容量。Small Cell和宏蜂窝的多个层面组成了HetNet异构网络，通过宏微协同技术以及抗干扰技术的联合使用，网络容量可以实现数倍甚至更高幅度提升，大大缓解无线网络的容量压力。

5G的实现必然是要在基础设施的建设上发生一些改变，既要兼容以往的系统也要提供更强的服务。Small cell的部署是提高频谱利用率、加强用户服务质量的关键技术之一。

Small cell不同与传统的宏基站，它只需要较低的发射功率，可以较容易地部署在路灯等其他设施上，服务小范围内的用户，如上图所示。由于Small cell的服务范围较小，所以不同的Small cell之间、以及Small cell与宏蜂窝之间便可以复用相同的频谱资源，与传统的宏蜂窝形成一种异构结构，极大地提升系统频谱利用率。此外，Small cell可以起到中继的效果，加强信号强度和覆盖范围，同时也能增加系统服务的终端个数。

3、提高频谱效率–代表技术大规模MIMO、波束成形

大规模MIMO是5G关键技术中非常有潜力的一个，相比4G系统中采用8根（或更少）发送天线，大规模MIMO将在同一个天线阵列上部署上百根天线，将天线阵列增益提升到一个新高度！大规模MIMO尚未在实际中部署和应用，目前都是在实验室或者一些特定环境下进行测试，但通过已有的测试结果可以看到：大规模MIMO只需要采用简单的线性预编码处理（如MRT、ZF）便可以提供极高的下行传输速率。

波束成形/预编码技术是与多天线系统密不可分的。波束成形技术可以使发送的信号具有一定的指向性，避免对周围用户的干扰，同时提升指定用户的接收信号功率。随着大规模MIMO系统天线数目的增加，系统可以服务更多的终端用户，如何避免信号发送过程中产生的用户干扰是重要问题。波束成形技术是大规模MIMO系统中不可或缺的一部分。

5G峰值速率计算公式

△ 5G载波的峰值计算公式

MIMO层数：下行4层，上行2层。

调制阶数：下行8阶（256QAM），上行6阶（64QAM）。

编码码率：948/1024≈0.926。

PRB个数：273，公式里面的12代表每个PRB包含12个子载波。

资源开销占比意为无线资源中用作控制，不能用来发送数据的比例，协议给出了典型的数据：下行14%，上行8%。

符号数意为每秒可实际传送数据的符号个数，因不同的TDD帧结构而异，具体可参考前面第二部分的表格。现取2.5毫秒双周期帧结构的值：下行18400，上行9200。

△ 5G载波的峰值计算因素图示

把上述数据代入前面的公式，可得：

下行峰值速率为：1.54Gbps

上行峰值速率为：308Mbps

现在电信和联通正在共享3.5GHz频段上的100MHz的带宽，单个手机能达到的理论速率就是上述的两个值。

如果这两家后续开通200MHz的话，因为带宽翻倍，速率也将翻倍，下行速率可以高达3.08Gbps！

这个速度，足以傲视群雄。

宽带和窄带业务

宽带业务是相对窄带业务而言的，一般来说，

对于速率低于2Mb/s的通信业务统称窄带业务，如电话网、N-ISDN所提供的业务。

对于高于2Mb/s的通信业务，如帧中继业务、视频点播、ATM业务、TV会议等称为宽带通信业务。

目前投入应用的宽带接入技术主要有两种：ADSL和FTTX+LAN。