1-5G无线蜂窝技术演进

1-5G无线蜂窝技术演进\o"1G"#1G\o"2G"#2G\o"3G"#3G\o"4G"#4G\o"5g"#5g自5G(NR)在中国、韩国、美国等国家推出首批服务以来，5G网络已在多个国家推出；其中:韩国、英国、德国和美国处于领先地位，中国正在快速追赶。分析师预测:到2025年全球将有27亿个5G连接(图1)，预计5G普及速度将超过以往任何一代蜂窝网络，并且对未来全球经济影响的期望很高。

图1:全球5G连接的预测增长(来源:CCSInsight）

蜂窝网络技术里程自1970年代后期首次出现以来，蜂窝网络和技术已经发生了相当大的发展，连续几代(2G到4G)代表了移动连接发展的重要里程碑(图2)。

图2：蜂窝网络演进时间线第一代蜂窝通信虽然当时不称为1G，但第一代移动网络于1979年在日本出现，然后推广到其他国家，如美国(1980年)和英国(1985年)。这种称为高级移动电话系统(AMPS)采用模拟技术,使用频分多址(FDMA)调制方式,1G网络提供30KHz的信道容量和2.4kbps的速度。1G网络只允许进行语音通话，存在可靠性和信号干扰问题，并且对黑客的保护有限。第二代(2G)蜂窝通信尽管存在缺陷，1G网络直到1991年才在2G网络被引入后被取代。基于数字信号技术，全球移动通信系统(GSM)提高了安全性和容量，2G网络提供30KHz到200KHz的带宽，并允许用户发送SMS和MMS消息，尽管速度较低，但最高可达64kbps。GSM技术不断改进，后来引入了所谓的2.5G，它结合了GPRS形式的分组交换和EDGE技术。2.5G支持高达144kbps的数据速率，使用户能够发送和接收电子邮件以及浏览网页。第三代(3G)蜂窝通信人们在千禧年(2000年)迎来了3G通信网络，它在欧洲采用UMTS，在美国使用CDMA2000技术；终端用户使用和查看手机的方式发生了变化，不仅关注语音通话，而是更多地关注社交连接。同样基于GSM，3G的主要目标是支持高速数据，原始的3G技术允许高达14Mbps的数据速率。凭借以更高速度传输更多数据的能力，3G使用户能够进行视频通话、网上冲浪、共享文件、玩在线游戏甚至在线看电视。2G网络可以在大约6-9分钟内下载一首3分钟的MP3歌曲，在3G网络仅需11到90秒就可以完成。今天3G网络最常见的用途是作为4G的备份。

第四代(4G)蜂窝通信4G蜂窝通信的引入真正迎来了智能手机和手持移动设备的时代。4G是第一代使用长期演进(LTE)技术来提供介于10Mbps和1Gbps之间的下载速度，为最终用户提供更好的延迟(更少的缓冲)、语音质量的改进、即时消息服务和社交媒体、高质量的流媒体和更快的下载速度。4G也是第一个基于IP的移动网络，将语音作为另一种服务处理，并且正在开发该技术以适应包括无线宽带接入、多媒体消息服务(MMS)、视频聊天、移动电视、高清电视内容、数字视频广播(DVB)。自推出以来相对较短的时间内，4G网络已经在努力应对对其提出的需求。在增强现实(AR)、自动驾驶汽车和物联网(IoT)等新兴技术的推动下，全球对移动带宽的需求正以爆炸性的速度增长。科技巨头爱立信预测：从现在到2023年全球移动数据流量的复合年增长率(CAGR)为39%，相当于每月总计107艾字节(EB)。除了需要带宽之外，新兴应用程序还需要更高的速度和更低的延迟，而越来越多的物联网设备正在推动对连接数量不断增加的需求——到2022年将超过290亿。针对4G/LTE网络最终将达到容量的天花板，国际电信联盟(ITU)在2015年定义了5G的要求规范。5G蜂窝通信演进ITU-RIMT-2020(5G)中提出了包含国际电联的5G规范(图3)。这一雄心勃勃的规范代表了4G性能的一步演化化，其旨在满足新兴应用的要求其中吞吐量高达10Gbps(比4G网络快100倍)旨在满足日益增长的带宽需求；1ms的延迟(4G时延30-50ms)将实现近乎实时的响应速度；每平方公里100万台设备的连接密度(比4G多100倍)支持越来越多的物联网设备和传感器。

图3:根据ITU-R选择的5G关键性能指标5G规范提出后，国际电联将5G技术规范的定义委托给全球标准机构第三代合作伙伴计划(3GPP)。3GPP根据在无线网络中部署新功能的顺序对规范进行优先级排序并将规范分组到版本中。5G规范已集成到3GPPR15版和R16版(图4)中，R16版在国际电联2020年截止日期前已经完成，以确保5G技术的运营商和制造商对其设计和投资充满信心。

图4：3GPPR15和R16时间表(来源3GPP）全面部署IMT-2020G中定义的所有5G功能需要实施全新的网络、运营商大量投资以及实现全面推出所需大量时间。为了简化迁移路径并使运营商能够通过5G服务尽早进入市场，3GPP在R15版中定义了5G(NR)非独立技术(图5)。

图5:5G(NR)的NAS架构(来源:高通）

5GNSA通过利用现有的LTE基础设施来提供5G服务。现有宏蜂窝的吞吐量可以通过添加额外的MIMO层来增加，运营商可以在所谓的“MIMO最佳位置”(大约3.5GHz)中使用现有频谱，以提供主要消费者主张为新的5G手机提供更快的服务。R15版还包括5G(NR)单机(SA)技术规范，R16版计划于2020年初完成;根据ITU世界无线电大会之后将做出的频谱分配决定，解决毫米波技术规范2019年10月。对5G发布公告(表1)的回顾证实，NSA路线受到全球许多运营商的欢迎，但主要例外是AT&T和Verizon，它们使用其毫米波许可证向消费者提供固定无线接入(FWA)服务。表1:全球5G启动计划汇总

5G有望改变人们生活方式移动电话诞生以来仅有40年左右;蜂窝网络的能力以推动全球范围内的社会变革和创新的速度发展。3G和4G网络的功能是为响应移动互联网的需求而开发的，并导致智能手机和平板电脑成为日常配件。然而物联网的势不可挡的崛起以及AR/AI和自动驾驶汽车等新兴应用的需求已经将4G网络的功能扩展到了极限，从而导致了下一代蜂窝网络5G的发展。虽然3G和4G网络专注于语音和数据服务，并且主要与智能手机相关联，但5G提供了更