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【推荐】具备量子级进步和功能的5G技术

2020-03-19 来源: PCB007中文线上杂志 阅读量 :
5G技术是巨大的飞跃;使通讯技术真正实现了量子级的进步并提供了更多的先进功能。显然,5G技术会比之前几代技术更快、更高效。但对于“音频通信”而言,“更快”意味着什么?不论电话另一端是谁,你可以提前1~2毫秒听到对方的声音/反馈,这么微小的差别你会感受到吗?当然不会。

具备量子级进步和功能

的5G技术


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我相信所有人现在都应该听说过5G(第五代移动电话及数据通讯标准)。我也敢肯定,你们中有很多人认为这项技术的到来意味着简洁的手机新功能即将面世,或许还意味着更多短信和自拍功能。这些都可能成真,但如果你因为这些理由去买一部新手机,就好比只是因为想换个颜色而买一部新车。


首先,你要了解清楚前4代移动电话和数据通讯标准都分别是什么,以及这些技术在过去的三四十年间给我们的生活带来了哪些变化。如果想深入了解前几代移动电话和数据通讯标准的具体内容与功能,可以查看我们之前发布的相关文章。


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5G的多种用途


移动通讯网络的发展


移动通讯网络可分为几代。第1代(1G,并不是以此命名)是一种模拟系统,于20世纪80年代初面世。第2代(2G,例如GSM)是数字技术,在20世纪90年代让大众使用上了短信(也叫做短消息服务,SMS)。这一代移动通讯网络原本是为了支持打电话,但后来将功能扩充到了允许数据传输。此外,它还大幅提升了安全性,极大地降低了电话被非法侵入的概率。


第三代(3G)技术的设计目标是针对电话通讯和数据传输,并且在21世纪初得到了广泛应用。始于21世纪10年代的第4代(4G和4G LTE,LTE也叫长期演进,让原本的4G技术不断得到改善)技术用于数据传输并且仅通过数据包(LTE语音承载和互联网语音协议,或者叫做VoIP)来支持电话通讯。每一代新技术都实现了更高的数据传输速率,为大众提供了新功能。


5G技术的优势


5G技术是巨大的飞跃;使通讯技术真正实现了量子级的进步并提供了更多的先进功能。显然,5G技术会比之前几代技术更快、更高效。但对于“音频通信”而言,“更快”意味着什么?不论电话另一端是谁,你可以提前1~2毫秒听到对方的声音/反馈,这么微小的差别你会感受到吗?当然不会。事实上,你会发现新款手机会被贴上+5G的标签,意味着移动电话通信仍然使用4G网络,其余的功能使用5G技术,但这也取决于未来几年技术的发展。但受到影响的行业和设备会使用5G技术,利用提高的速度和增加的带宽来获取更快的反应时间。上行速度和下行速度会大幅提高。


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5G 带宽频谱


一般用户在5G技术支持下使用手机或联网设备时,能体会到的技术进步包括:在4K或更高分辨率下进行视频通话不会出现明显延迟;下载文件、程序、视频、游戏时只需要几秒就可以完成,而不再是需要几分钟(在3G技术之前,下载同样大小的文件通常需要花几个小时);使用增强现实(AR)时可以获得实时响应,这项技术是直接应用到现实当中,而不是像虚拟现实一样将现实情境代替掉。你可以在手机设备上以高分辨率观看流媒体电影,还可在便携设备上玩实时游戏。


但5G技术不仅仅是下一代移动通信技术;因为它的超快速数据传输速度远远提高到了更高的层次,同时又支持从AR服务和自助维修电话到医疗保健等各种行业,其中包括支持远程机器人手术、教育、自动驾驶交通、娱乐等等,所有这些操作都需要完成关键任务所需的可靠性和可用性。


想一想实时数据传输、命令和响应通讯对军事行业的意义。在我们行业中,工厂内甚至是在全球不同制造地点之间可以实现延迟率超低的信息交换,会带来经济上和技术上的巨大改变。可以在多种工业环境下从有线连接转变为无线连接,从而可降低安装成本、让横跨多个制造部门与地点的生产制程更具灵活性。


5G技术

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从4G到5G的移动格局正在变化


现在从技术角度来看一下那些可以让5G技术发挥作用并且与4G技术产生差别的带宽。5G使用的带宽在30GHz至300 GHz范围内,目前很少会使用这个频率范围,当今的4G技术使用的频率在6 GHz以下。5G技术的范围测试显示信号的覆盖范围是信号塔周边500+米以内。


使用小基站,载波可以通过5G技术用毫米波段来传输数据,从而增加整体覆盖范围。据报道,通过波束成形并利用小基站来集中信号,可以在提升信号覆盖范围的同时降低5G延迟率。谨记,低延迟是5G技术最重要的特征之一(后期文章将详细介绍该特征)。所以这项技术适用于上文提到的那些需要快速响应和无延迟的应用。5G技术的延迟可以低到毫秒级,根据实际估算,这一数值在1毫秒至10毫秒之间。据报道,与当前4G技术的平均延迟率相比,5G技术传输速度快60倍以上,甚至可以高达120倍。


更新信息研究数据的同时,根据定义5G技术的新标准可以看出,从理论上来讲5G技术的数据传输速率将达到下行速度20 Gbps、上行速度10 Gbps;也就是说数据的传输速率非常快。但切记,这些令人印象深刻的数值都是理论数值。我们可以预见能够达到100 Mbps的下行速度和50 Mbps的上行速度,但实际情况还要拭目以待。


5G技术带来的可能性几乎是无穷无尽的,所以我们来看一看有哪些关键功能。

关键特征

据称仅有毫秒级延迟(延迟是指数据从传输点到达起始点所需的时间),这是一个很大的进步。

可以让连接的设备数量增加10倍到100倍,所以这也使同时连接500亿台设备成为可能

网络可用性的水平非常高

网络过载的可能性非常小

可能达到99.9%的覆盖范围

可以让物联网(IoT)设备有10年低功耗的使用寿命

传输速度大幅提高,速度可高达每秒10 GB

能耗降低,据报道,但尚未证实,5G可以将网络的能耗减少高达90%5G设备应该与更新的安全标准兼容


除了这些关键特征以外,未来一年内可能还会推出更多功能。


5G技术的未来

总体而言,我们可以预测到5G在现实生活中可以实现上文所提到的低延迟,并且非常高效,报道称这项技术可以在检测到使用频率降低时就能够在几毫秒以内切换成低能耗状态。5G网络据说能够以300 mph的速度在基站和移动设备之间实现高速通信。与4G技术相比, 5G能够在同样的区域内支持更多的设备,并且不会出现过载。



蜂窝塔已越来越成为农业景观的一部分 该塔用于搭载5G网络蜂巢


据悉,5G技术最多能够在每平方千米内支持100万个设备。你可能会觉得,根本不可能在一平方千米内有这么多人同时使用手机,但我们讨论5G时并不是只讨论手机;我们讨论的是无数种不同的设备——例如交通运输、娱乐、军事、医疗行业等等使用的设备——在未来的25年里,这些设备之间将会相互通信。对于那些20世纪的人,回想一下我们当初在20世纪70年代的通讯工具,再看看我们现在的通讯工具,你就可以想象未来会发生什么。


可能产生的成本和风险


世上没有免费的午餐,5G技术的面世也意味着会产生大量的成本和潜在的风险。首先需要在基础设施上投入成千上百万美元。5G推动的很多技术进步之所以能实现是因为使用的频率要远远高出很多。较高的频率就意味着随着到传输点的距离(呼叫塔)不断增加,每个传输点的范围会变短而且高频信号穿透墙壁和窗户的能力也会变弱。这就需要建造更多相互之间距离更近、到通讯设备距离更近的小基站信号塔,甚至这一过程需要增加几万个基站信号塔和信号发送与接收点。你会在之前从没想到过的地方看到基站点。


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5G是陷阱么?对5G持有反 对意见的人也不在少数


实际上,这种扩展工作已经开始了。现有的一些基站信号塔已经在转换成5G或5G+4G复合式信号塔。如果你所在的区域里曾经能接收到非常稳定的信号,但现在出现了信号衰落或连接中断,那可能是因为你最喜欢/最常用的基站信号塔正在向5G技术转换(我们似乎正在无意之中支付这个成本)。


频繁暴露在RF辐射下有可能引起健康问题——这是个有争议性的话题,人们的想法各不相同。我在南加州居住的地方已经开始为居民建造新的移动通信基站,社交媒体上已经开始就这一问题展开了讨论,不论是在当地的网络群组中还是地方性会议中,都会听到双方各持已见的理由。我想引用最近一篇5G技术文章中的一段话:


 “人们对5G技术最大的担心之一就是害怕网络无线频率不安全,导致人们暴露在辐射当中最终引发癌症。这种恐惧并非完全没有根据。世界卫生组织2011年发布的一份报告表示,手机辐射应被列为“可能对人类致癌”。在2016年,一项由美国政府资助的研究表明,实验小鼠患癌和无线射频辐射有关。像iPhone和三星Galaxy这样受欢迎的手机可能会超出FCC允许的射频辐射水平。”


另一方面,经过多年的研究审查,FCC主席发起一项倡议,认为包括使用5G在内的手机都是安全的。毫无疑问,我们接触RF辐射已经有几十年了,但却没有实质性的证据证明这种情况会导致健康水平下降;但5G网络意味着要在住宅、学校和医院等再多安装几百万个天线,还要在太空中部署成千上万个卫星。


也许癌症和手机之间的关系已被夸大,但也不要忘记自上一次研究发布以后又过去了几年,在这些年当中又有几百万无线头戴设备投入使用。每个头戴设备中都有一个很微小但却非常靠近头部的发射器/接收器。而且人们每周会花更多时间接起电话放在耳边边走边说,或者用蓝牙耳机,这些都是用RF在通讯。低功率信号仍会累加。


慎重起见,我会继续使用有线耳机。一般来讲,虽然有线耳机使用起来并不是很方便,但其信号质量和连接稳定性更强,并且没有RF。我还记得上个世纪五六十年代人们都说吸烟是不会危害健康的。靠近人身体的RF、甚至是低功率的RF是不是就好比21世纪初期的香烟?这是有待考虑的问题。


总结


毫无疑问,在任何情况下万物都在发生变化,生活中各个方面便携设备的使用都在增加,5G技术会让这些变化更快发生。总之,我会期待技术带来的积极进步,而技术带来的大多数变化也会造福人类。


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