5G 首次亮相，預計將對很多行業產生重大影響。全球移動設備供應商協會 （GSA） 2020 年 11 月設備生態系統報告顯示，市場上已經推出近 500 款 5G 設備。《電子時報》2019 年 9 月的另一份報告預測，到 2024 年，在近 16 億部設備中，大約 45% 預計將是 5G 移動設備。這表示未來幾年將有巨大增長。

與前幾代通常專注于支持蜂窩通信或移動電話的無線技術不同，5G 承諾為各種跨行業設備提供連接和支持。GSA 2020 年 11 月的設備生態系統報告顯示，除了手機之外，市場還發布了近 19 款不同規格的 5G 設備，包括熱點、客戶端設備 （CPE）、快裝式加密狗、筆記本電腦、車載路由器、無人機、機器人和許多其他設備。

5G 物理層變化

為了支持各種各樣的設備，以及許多令人興奮的新應用用例，5G 引入了許多物理層變化。

其中最明顯的差異之一是頻譜。由于 LTE被束縛在 3 GHz以下的頻率范圍內，因此全球監管機構為 5G 開放了更加廣泛的頻譜范圍。5G 有兩種不同的頻段分類：頻段 1 （FR1），范圍為 410 MHz 至 7.125 GHz。頻段 2 （FR2），也稱為毫米波 （mmWave），支持的運行范圍為 24.25 GHz 至 52.6 GHz。

添加新頻譜的主要原因是這些頻譜支持極高的信道容量和帶寬。與支持最高 20 MHz 帶寬的 LTE 不同，5G 在 FR1 中提供高達 100 MHz 的帶寬，在 FR2 中提供高達 400 MHz 的帶寬。如此高的帶寬可以轉化為高達 10 Gbps 的數據速率。

5G 的另一關鍵點是支持靈活的子載波間隔 （SCS），這有助于 5G 在各種應用用例中的實現和運行。除了 LTE 提供的 15 KHz 固定子載波間隔外，5G 還提供 30、60、120 和 240 KHz 這幾個額外的間隔，而這可以帶來兩大主要優勢：

首先，載波間隔越大，時隙越小，這樣便可根據用例優化資源分配。例如，具有極高數據速率的增強型移動寬頻（eMBB 應用）將需要更大的時隙持續時間（較小的 SCS）來以適應較大的數據有效負載。而有效負載較低的物聯網設備則可能需要更短的時隙持續時間。

靈活數值的第二個優勢是使用寬載波間隔有助于抵抗多普勒頻移。這樣不僅可以減輕干擾，而且還能提高毫米波頻率下的可靠性。這就是為什么 FR2不支持較小的子載波間隔（15 kHz 和 30 kHz）的原因。

波束成形是幫助在毫米波頻率范圍內運行的最關鍵功能之一。雖然 LTE 以空間多路復用形式支持 MIMO，但在毫米波頻率下，更高的路徑損耗使其難以維持足夠的 SNR。因此，通過在所需方向引導無線電能量來補償損耗變得至關重要。波束成形正是通過利用多個天線陣列來提高 SNR 和信號接收可能性。

應用用例

這些物理層變化可以為哪些應用提供支持？5G 旨在服務三大類用例：eMBB、超可靠低延遲 （URLLC） 和大容量工業通信 （mMTC），每種類型都有不同的性能要求。到 2021 年，5G 將繼續專注于 eMBB 和固定無線接入。在 2021 年至 2023 年之間，5G 將演進為支持 URLLC 專用網絡和 mMTC。

這些 5G 應用用例要求高數據速率、最低延遲和更優化的通信。例如，某些應用（如增強/虛擬現實和視頻流）需要大量數據，因此需要更寬的帶寬和更高的吞吐量。其他用例（如工業和汽車自動化）對延時容忍度極高，要求可靠性達到 10-9 級別，延遲在 1 毫秒內。第三類用例源于物聯網和智能設備之間的廣泛連接需求，要求一種能夠支持大容量通信的技術。

全球運營商都在努力尋找最佳頻段來支持這些用例。例如，較低的頻帶提供的容量有限，但可用于在全國范圍內擴展覆蓋范圍。中頻帶頻率提供了最佳的覆蓋范圍和容量，并且在全球得到廣泛部署。毫米波范圍內的較高頻段主要用于為高數據量/高容量的應用提供服務，例如 AR/VR 或視頻流。

5G 在用例支持上的演進

3GPP Release 15 更側重于提供用于增強型移動寬帶用例的平臺。這包括需要更高帶寬的高數據量應用，以及固定的無線接入通信。

Release 16 已于 2020 年 6 月完成，其中包括了用于為 URLLC 用例或工業物聯網 （IIoT） 應用提供支持的增強功能。這些增強將可為包括工業設施和工廠為實現工廠自動化或基礎設施監視所需的專用網絡提供支持。在 Release 16 中，多點傳輸偵聽也得到增強，旨在提高鏈路可靠性和改善延遲，這都是改進 C-V2X 或自動駕駛通信所必需的功能。此版本還支持更精確定位的應用，在未授權頻段部署 5G，以及更好的節能特性，這一切都旨在為工業物聯網應用提供支持。

下一代 5G 技術規范（Release 17）將于 2022 年發布，并將專注于 5G 技術規范的持續擴展，其增強的重點將是 mMTC 和 NR-Light 設備（例如可穿戴設備或工業傳感器）。

考慮到這些用例，以及為支持這些用例而引入 5G 的物理層變化，我的下一篇博客文章將探討 5G 的一些測試挑戰和考慮因素。同時，請訪問關于此主題的網絡研討會的重播。
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