一文讀懂5G與千兆比特（Gigabit）LTE存在的那些差異
5G即將到來，至少一些運營商是這么認為的。但是，至少在2019年之前，你不會找到能夠?qū)嶋H使用5G的手機。而與此同時，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)“的計劃來吸引消費者，現(xiàn)在越來越難以確切地知道這個世界性的下一代無線網(wǎng)絡(luò)將會是什么樣子的。
圖1 5G即將到來
我們會很快看到真正的5G嗎?千兆比特(Gigabit)LTE是會變差還是和原來的一樣好?消費者真的會在手機上使用到它們嗎?本文讓我們說明這兩種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間的差異，并試圖找出答案。
技術(shù)標準
5G和千兆比特(Gigabit)LTE容易混淆的問題在于各公司和運營商一直在使用這些術(shù)語來描述不同的事情。5G有非獨立(Non-Standalone)和(即將推出的)5G獨立標準(Standalone standard )之間的一些區(qū)別，以及這對于產(chǎn)品和用例意味著什么 - 簡而言之，5G并不是一個單一的“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)許可的頻譜以及來自LTE和Wi-Fi信號的聚合來構(gòu)建。它也被稱為LTE-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1 Gbps的下載速度。
有很多方法可以實現(xiàn)更快的無線數(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標準中的一些細節(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為消費者提供什么。速度超過1 Gbps的***個規(guī)范在3GPP 的Release 13協(xié)議版本中發(fā)布，而***個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
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以及對更廣泛的頻譜共享技術(shù)的支持。向5G非獨立(新無線電，New Radio，NR)規(guī)范的轉(zhuǎn)變旨在通過在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進一步提升網(wǎng)絡(luò)速度。
就速度而言，引入LTE-Advanced Pro和5G新型無線電可讓我們超越1 Gbps的網(wǎng)絡(luò)速度障礙。但是，在這個時候值得一提的是，用戶峰值數(shù)據(jù)速率將遠低于這些理論的***值。
圖3 5G設(shè)備原型
5G和千兆比特(Gigabit)LTE都旨在通過增加可用頻率范圍和傳輸數(shù)據(jù)的載波數(shù)量來提高速度。
這是因為實際速度取決于您當前區(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所能夠支持的技術(shù)。擁有5G手機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，我們來仔細看看這些發(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)鍵是通過載波聚合，即通過合并從多個子單元載波帶寬獲取數(shù)據(jù)來提高吞吐量。***代LTE網(wǎng)絡(luò)和手機僅使用一個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自2.4GHz或者5 Ghz的Wi-Fi頻段的信號，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，因為該數(shù)據(jù)流可以針對每個載波帶寬跨多個天線并行發(fā)送。除了用于增加吞吐量外，多輸入多輸出(MIMO)還可以通過將這些并行天線發(fā)送相同的數(shù)據(jù)以檢查錯誤并防止數(shù)據(jù)包丟失。當談到采用毫米波技術(shù)的5G無線電時，大規(guī)模MIMO(massive MIMO)變得更加重要。這是因為非常高頻毫米波技術(shù)更依賴于視距(line-of-sight)通信，所以MIMO對于確保消息可以完好地到達目的地手機至關(guān)重要。
圖4 LTE向5G演進之路
使用千兆比特(Gigabit)LTE時，五個或者更多的LTE載波帶寬聚合在一起以提供更高的峰值數(shù)據(jù)速率。這可能來自各種各樣的頻譜，包括T-Mobile的600 MHz頻譜等1 GHz以下的長距離低頻段頻譜。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)頻譜中運行，以進一步增加可用頻段的數(shù)量進行匯聚并提供更多帶寬，從而提升傳輸速率。
來自多個載波的聚合對于改善小區(qū)網(wǎng)絡(luò)邊緣處的用戶速度也具有優(yōu)勢，因為可以將多個較弱的信號組合在一起以獲得更高的吞吐量。當然，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，而且還需要一個無線電前端，以便拾取您的運營商所提供的正確的頻段中的數(shù)據(jù)信息。
***代5G網(wǎng)絡(luò)將繼續(xù)使用我們熟悉的LTE錨點，通過新的毫米波和新頻段的專用5G頻譜擴大千兆比特(Gigabit)LTE可實現(xiàn)的功能。換句話說，***個5G網(wǎng)絡(luò)將通過開放用于移動數(shù)據(jù)的新頻段，將這一長期運行的載波匯聚理念提升到了一個新的層次。
圖5 千兆比特(Gigabit)LTE
當移動到新的毫米波和其他高頻頻段時，才真正將5G與千兆比特(Gigabit)LTE分隔開來，但是這種轉(zhuǎn)變并非簡單的切換。
這些高頻率很容易被墻壁甚至你的手擋住。沒錯，即使拿著智能手機也足以阻止非常高的頻率數(shù)據(jù)到達天線。 5G智能手機天線需要重新設(shè)計，以便他們能夠處理更加挑剔的頻率。無線電射頻前端也必須進行調(diào)整以迎合這些頻段，這需要進行一些較低級別的重新設(shè)計產(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)射機時遇到的問題之一。
而千兆比特(Gigabit)LTE更容易投入產(chǎn)品，因為它基于現(xiàn)有的通用無線電技術(shù)。 5G mmWave提出了新的設(shè)計挑戰(zhàn)。
除了智能手機級蜂窩寬帶，千兆比特(Gigabit)LTE和5G新無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旨在實現(xiàn)設(shè)備到設(shè)備的連接，而無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人機的各種應(yīng)用。
圖6 5GNR的特征
千兆比特(Gigabit)LTE更容易實現(xiàn)，因為天線陣列設(shè)計與現(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，智能手機設(shè)計和外形形狀可能保持不變，而5G智能手機則需要一些顯著的重新設(shè)計。
我們應(yīng)該關(guān)心哪一個?
隨著5G的巨大的市場性和潛在的應(yīng)用范式轉(zhuǎn)變，千兆LTE可能有點容易被忽視。但是該技術(shù)仍然在為消費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。看看為世界上一些最快的國家收集的數(shù)據(jù)包括美國，歐洲，印度和其他國家的數(shù)據(jù)。這些國家的運營商可以明顯趕上像韓國這樣的行業(yè)***，而不需要5G技術(shù)。
對于智能手機，千兆LTE可用于即使是最艱難的消費者移動用例中，例如4K視頻流媒體，它只需要13 Mbps左右的下載速度即可進行實時流式傳輸。當然，僅僅在千兆LTE網(wǎng)絡(luò)上并不意味著實際上你會看到1000Mbps的速度，但是傳輸速度超過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)用場景，例如自動無人駕駛汽車，這標志著移動用戶日常互聯(lián)網(wǎng)使用體驗的重大轉(zhuǎn)變。
圖7 5G調(diào)制解調(diào)器可能比千兆LTE更快，但真實世界移動用例的速度可能會非常相似
實用性也是一個重要的考慮點。 5G技術(shù)不僅需要在網(wǎng)絡(luò)硬件方面進行重新設(shè)計，而且還需要在設(shè)備中進行重新設(shè)計。新的調(diào)制解調(diào)器，更重要的是，前端無線電設(shè)計將非常昂貴且棘手，以適應(yīng)現(xiàn)有的移動終端的外形形狀和尺寸。相比之下，千兆比特LTE易于實現(xiàn)，主要是擴展現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)LTE和Wi-Fi頻段。
這并不是否認5G作為移動網(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)中實現(xiàn)革新的應(yīng)用案例，并在5G后端改變現(xiàn)有LTE核心時實現(xiàn)新的更高效的服務(wù)。然而，至少在2019年前，***批5G網(wǎng)絡(luò)將不會出現(xiàn)，即便出現(xiàn)了，大部分5G網(wǎng)絡(luò)仍將會保留用于某些城市內(nèi)部的熱點位置。調(diào)制解調(diào)器和使用它們的RF前端實施的智能手機可能會在更遠的將來才能實現(xiàn)。
圖8 5G分層覆蓋
在可預(yù)見的未來，LTE仍將為所有全球移動網(wǎng)絡(luò)提供支持。首批5G非獨立網(wǎng)絡(luò)實際上只會增加現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源，使傳輸帶寬更高。如果您正在考慮購買新款智能手機，請不要支持5G型號。與千兆LTE網(wǎng)絡(luò)兼容的任何手機在未來的幾年內(nèi)或多或少都會繼續(xù)為您提供高速傳輸速率。
