5G與千兆比特（Gigabit）LTE：差異解釋

　　5G即將到來(lái)，至少一些運(yùn)營(yíng)商是這么認(rèn)為的。但是，至少在2019年之前，你不會(huì)找到能夠?qū)嶋H使用5G的手機(jī)。而與此同時(shí)，其他網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備制造商早在2015年就已經(jīng)開始試用千兆比特(Gigabit)LTE以加快網(wǎng)絡(luò)速度。隨著AT&T試圖用“ 5G Evolution(5G 演進(jìn))“的計(jì)劃來(lái)吸引消費(fèi)者，現(xiàn)在越來(lái)越難以確切地知道這個(gè)世界性的下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將會(huì)是什么樣子的。

　　圖1、5G即將到來(lái)

　　我們會(huì)很快看到真正的5G嗎?千兆比特(Gigabit)LTE是會(huì)變差還是和原來(lái)的一樣好?消費(fèi)者真的會(huì)在手機(jī)上使用到它們嗎?本文讓我們說(shuō)明這兩種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間的差異，并試圖找出答案。

　　技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

　　5G和千兆比特(Gigabit)LTE容易混淆的問(wèn)題在于各公司和運(yùn)營(yíng)商一直在使用這些術(shù)語(yǔ)來(lái)描述不同的事情。5G有非獨(dú)立(Non-Standalone)和(即將推出的)5G獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)(Standalone standard )之間的一些區(qū)別，以及這對(duì)于產(chǎn)品和用例意味著什么 - 簡(jiǎn)而言之，5G并不是一個(gè)單一的“東西”。類似地，千兆比特(Gigabit)LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)使用新的高頻和/或低頻頻譜，未經(jīng)許可的頻譜以及來(lái)自LTE和Wi-Fi信號(hào)的聚合來(lái)構(gòu)建。它也被稱為L(zhǎng)TE-Advanced，LTE Advanced Pro和“pre-5G”等，但其統(tǒng)一因素是千兆比特(Gigabit)LTE能夠提供超過(guò)1 Gbps的下載速度。

　　有很多方法可以實(shí)現(xiàn)更快的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速度，這在一定程度上導(dǎo)致了這種混亂。我們將遵循3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的一些細(xì)節(jié)，告訴大家每種技術(shù)需要什么樣的工作方式以及它能夠?yàn)橄M(fèi)者提供什么。速度超過(guò)1 Gbps的第一個(gè)規(guī)范在3GPP 的Release 13協(xié)議版本中發(fā)布，而第一個(gè)5G NSA協(xié)議規(guī)范發(fā)布在3GPP 的Release 15中。

　　圖2、3GPP的相關(guān)協(xié)議演進(jìn)

　　從上表可以看出，隨著這些協(xié)議版本逐漸增加，引入了額外的功能和硬件支持，以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速度。一些主要的技術(shù)理論是與更快的傳輸速度關(guān)聯(lián)在一起的：可匯聚在一起的載波數(shù)量的增加，更大的MIMO以及對(duì)更廣泛的頻譜共享技術(shù)的支持。向5G非獨(dú)立(新無(wú)線電，New Radio，NR)規(guī)范的轉(zhuǎn)變旨在通過(guò)在6 GHz以下的頻段和毫米波頻率中增加更多的頻譜和載波來(lái)進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)速度。

　　就速度而言，引入LTE-Advanced Pro和5G新型無(wú)線電可讓我們超越1 Gbps的網(wǎng)絡(luò)速度障礙。但是，在這個(gè)時(shí)候值得一提的是，用戶峰值數(shù)據(jù)速率將遠(yuǎn)低于這些理論的最大值。

　　圖3、5G設(shè)備原型

　　5G和千兆比特(Gigabit)LTE都旨在通過(guò)增加可用頻率范圍和傳輸數(shù)據(jù)的載波數(shù)量來(lái)提高速度。

　　這是因?yàn)閷?shí)際速度取決于您當(dāng)前區(qū)域的可用頻譜類型，例如毫米波天線或LAA小型蜂窩基站集線器(small-cell hub)，以及你口袋中的手機(jī)所能夠支持的技術(shù)。擁有5G手機(jī)并不能保證一定能獲得比千兆比特(Gigabit)LTE更快的速度。

　　現(xiàn)在，我們來(lái)仔細(xì)看看這些發(fā)布的3GPP協(xié)議中涉及的各種技術(shù)，以及它們與5G和千兆比特(Gigabit)LTE的關(guān)系。

　　它們是如何工作的

　　提高數(shù)據(jù)速度的關(guān)鍵是通過(guò)載波聚合，即通過(guò)合并從多個(gè)子單元載波帶寬獲取數(shù)據(jù)來(lái)提高吞吐量。第一代LTE網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)僅使用一個(gè)20 MHz載波帶寬，但LTE-Advanced在LTE網(wǎng)絡(luò)中引入了混合載波帶寬的概念。隨后是LTE-Advanced Pro，它進(jìn)一步增加了匯聚的載波數(shù)量，并開始支持各種非授權(quán)頻譜的技術(shù)。未經(jīng)許可的頻譜包括混合來(lái)自2.4GHz或者5 Ghz的Wi-Fi頻段的信號(hào)，以及圍繞類似的6 GHz以下頻段的其他小型蜂窩小區(qū)的實(shí)施。

　　多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)也同樣重要。這與載波聚合(carrier aggregation)相似，因?yàn)樵摂?shù)據(jù)流可以針對(duì)每個(gè)載波帶寬跨多個(gè)天線并行發(fā)送。除了用于增加吞吐量外，多輸入多輸出(MIMO)還可以通過(guò)將這些并行天線發(fā)送相同的數(shù)據(jù)以檢查錯(cuò)誤并防止數(shù)據(jù)包丟失。當(dāng)談到采用毫米波技術(shù)的5G無(wú)線電時(shí)，大規(guī)模MIMO(massive MIMO)變得更加重要。這是因?yàn)榉浅８哳l毫米波技術(shù)更依賴于視距(line-of-sight)通信，所以MIMO對(duì)于確保消息可以完好地到達(dá)目的地手機(jī)至關(guān)重要。

　　圖4、LTE向5G演進(jìn)之路

　　使用千兆比特(Gigabit)LTE時(shí)，五個(gè)或者更多的LTE載波帶寬聚合在一起以提供更高的峰值數(shù)據(jù)速率。這可能來(lái)自各種各樣的頻譜，包括T-Mobile的600 MHz頻譜等1 GHz以下的長(zhǎng)距離低頻段頻譜。在諸如城市中心等建筑物區(qū)域，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這些傳統(tǒng)的LTE頻段增加了額外的宏蜂窩，這些宏蜂窩在非授權(quán)頻譜中運(yùn)行，以進(jìn)一步增加可用頻段的數(shù)量進(jìn)行匯聚并提供更多帶寬，從而提升傳輸速率。

　　來(lái)自多個(gè)載波的聚合對(duì)于改善小區(qū)網(wǎng)絡(luò)邊緣處的用戶速度也具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭梢詫⒍鄠€(gè)較弱的信號(hào)組合在一起以獲得更高的吞吐量。當(dāng)然，要使用這些高速度，您需要一款不僅兼容這些技術(shù)的調(diào)制解調(diào)器的智能手機(jī)，而且還需要一個(gè)無(wú)線電前端，以便拾取您的運(yùn)營(yíng)商所提供的正確的頻段中的數(shù)據(jù)信息。

　　第一代5G網(wǎng)絡(luò)將繼續(xù)使用我們熟悉的LTE錨點(diǎn)，通過(guò)新的毫米波和新頻段的專用5G頻譜擴(kuò)大千兆比特(Gigabit)LTE可實(shí)現(xiàn)的功能。換句話說(shuō)，第一個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)將通過(guò)開放用于移動(dòng)數(shù)據(jù)的新頻段，將這一長(zhǎng)期運(yùn)行的載波匯聚理念提升到了一個(gè)新的層次。

　　圖5、千兆比特(Gigabit)LTE

　　當(dāng)移動(dòng)到新的毫米波和其他高頻頻段時(shí)，才真正將5G與千兆比特(Gigabit)LTE分隔開來(lái)，但是這種轉(zhuǎn)變并非簡(jiǎn)單的切換。

　　這些高頻率很容易被墻壁甚至你的手擋住。沒(méi)錯(cuò)，即使拿著智能手機(jī)也足以阻止非常高的頻率數(shù)據(jù)到達(dá)天線。 5G智能手機(jī)天線需要重新設(shè)計(jì)，以便他們能夠處理更加挑剔的頻率。無(wú)線電射頻前端也必須進(jìn)行調(diào)整以迎合這些頻段，這需要進(jìn)行一些較低級(jí)別的重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的工作。這是在用波束成形和其他相關(guān)技術(shù)推出5G毫米波發(fā)射機(jī)時(shí)遇到的問(wèn)題之一。

　　而千兆比特(Gigabit)LTE更容易投入產(chǎn)品，因?yàn)樗诂F(xiàn)有的通用無(wú)線電技術(shù)。 5G mmWave提出了新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　除了智能手機(jī)級(jí)蜂窩寬帶，千兆比特(Gigabit)LTE和5G新無(wú)線電還為新興用例提供了一系列新的通信技術(shù)和協(xié)議。 LTE Direct，LTE Broadcast和C-V2X旨在實(shí)現(xiàn)設(shè)備到設(shè)備的連接，而無(wú)需穿越大型的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。此外，還支持使用eMTC和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)，適用于從智能家居到無(wú)人機(jī)的各種應(yīng)用。

　　圖6、5G NR的特征

　　千兆比特(Gigabit)LTE更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樘炀€陣列設(shè)計(jì)與現(xiàn)在應(yīng)用中的天線的非常相似，并且功率消耗大部分保持不變。使用千兆比特LTE，智能手機(jī)設(shè)計(jì)和外形形狀可能保持不變，而5G智能手機(jī)則需要一些顯著的重新設(shè)計(jì)。

　　我們應(yīng)該關(guān)心哪一個(gè)?

　　隨著5G的巨大的市場(chǎng)性和潛在的應(yīng)用范式轉(zhuǎn)變，千兆LTE可能有點(diǎn)容易被忽視。但是該技術(shù)仍然在為消費(fèi)者提供了重要的速度提升，全球許多LTE網(wǎng)絡(luò)仍有大量增長(zhǎng)?？纯礊槭澜缟弦恍┳羁斓膰?guó)家收集的數(shù)據(jù)包括美國(guó)，歐洲，印度和其他國(guó)家的數(shù)據(jù)。這些國(guó)家的運(yùn)營(yíng)商可以明顯趕上像韓國(guó)這樣的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，而不需要5G技術(shù)。

　　對(duì)于智能手機(jī)，千兆LTE可用于即使是最艱難的消費(fèi)者移動(dòng)用例中，例如4K視頻流媒體，它只需要13 Mbps左右的下載速度即可進(jìn)行實(shí)時(shí)流式傳輸。當(dāng)然，僅僅在千兆LTE網(wǎng)絡(luò)上并不意味著實(shí)際上你會(huì)看到1000Mbps的速度，但是傳輸速度超過(guò)50Mbps在這些網(wǎng)絡(luò)中很常見。相反，5G將更多地體現(xiàn)大眾物聯(lián)網(wǎng)和非常低延遲的應(yīng)用場(chǎng)景，例如自動(dòng)無(wú)人駕駛汽車，這標(biāo)志著移動(dòng)用戶日常互聯(lián)網(wǎng)使用體驗(yàn)的重大轉(zhuǎn)變。

　　圖7、5G調(diào)制解調(diào)器可能比千兆LTE更快，但真實(shí)世界移動(dòng)用例的速度可能會(huì)非常相似

　　實(shí)用性也是一個(gè)重要的考慮點(diǎn)。 5G技術(shù)不僅需要在網(wǎng)絡(luò)硬件方面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，而且還需要在設(shè)備中進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。新的調(diào)制解調(diào)器，更重要的是，前端無(wú)線電設(shè)計(jì)將非常昂貴且棘手，以適應(yīng)現(xiàn)有的移動(dòng)終端的外形形狀和尺寸。相比之下，千兆比特LTE易于實(shí)現(xiàn)，主要是擴(kuò)展現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)LTE和Wi-Fi頻段。

　　這并不是否認(rèn)5G作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展階段的必要性。除了更快的速度，更高的帶寬和更低的延遲，5G將在物聯(lián)網(wǎng)，汽車和連接行業(yè)中實(shí)現(xiàn)革新的應(yīng)用案例，并在5G后端改變現(xiàn)有LTE核心時(shí)實(shí)現(xiàn)新的更高效的服務(wù)。然而，至少在2019年前，第一批5G網(wǎng)絡(luò)將不會(huì)出現(xiàn)，即便出現(xiàn)了，大部分5G網(wǎng)絡(luò)仍將會(huì)保留用于某些城市內(nèi)部的熱點(diǎn)位置。調(diào)制解調(diào)器和使用它們的RF前端實(shí)施的智能手機(jī)可能會(huì)在更遠(yuǎn)的將來(lái)才能實(shí)現(xiàn)。

　　圖8、5G 分層覆蓋

　　在可預(yù)見的未來(lái)，LTE仍將為所有全球移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供支持。首批5G非獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上只會(huì)增加現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源，使傳輸帶寬更高。如果您正在考慮購(gòu)買新款智能手機(jī)，請(qǐng)不要支持5G型號(hào)。與千兆LTE網(wǎng)絡(luò)兼容的任何手機(jī)在未來(lái)的幾年內(nèi)或多或少都會(huì)繼續(xù)為您提供高速傳輸速率。