如何设计和验证 5G 系统，第 1 部分

从 1980 年代开始，移动行业一直在以每十年更新一个新标准的速度升级无线技术。80 年代推出的第一代 (1G) 手机虽然当时不被称为 1G，但基于模拟技术，仅支持质量较差的语音通信。

90 年代推出的第二代 (2G) 手机将模拟语音传输升级为数字语音通信，增加了对短消息服务/多媒体消息服务 (SMS/SMM) 的支持，并大幅扩展了网络容量。在世纪之交，3G 手机引入了互联网接入，用于网络浏览、电子邮件通信、视频下载和图片共享。在 2010 年代，4G 智能手机允许高速无线互联网访问以执行桌面应用程序。

所有四种无线标准都只针对一个目标市场：创建超级智能手机，以提供从简单的移动语音通话到无所不包的互联网享受的日益丰富的用户体验。

为什么是5G?

近年来，多种因素共同要求采用新的无线标准来取代老化的 4G 规范。其中包括移动用户的急剧增长，需要更多更快的数据传输、物联网 (IoT) 设备的普及、无人机的部署增加、移动增强现实的普及以及自动驾驶汽车提出的严格要求。

为了应对这些需求的压力，国际电信联盟 (ITU) 制定了 IMT2020 标准，通常称为 5G，以应对三个移动市场，每个市场都有独特的需求。

第一个市场被称为极端移动宽带，主要关注以人为本的用例的通信服务，使用户能够访问由 3G/4G 标准处理的多媒体内容、服务和数据。例如，5G 将更好地满足新应用和比特率不断增长的需求。

关键机器通信部分服务于机器对机器 (M2M) 应用，其中超可靠和低延迟通信是强制性的。示例包括自动或半自动车辆的车对车 (V2V) 通信、工业制造或生产过程的无线控制、远程医疗手术、智能电网中的配电自动化和运输安全服务。

5G 的第三个市场领域，正式名称为大规模机器通信，服务于众所周知的物联网。在这个角色中，5G 有望提供将大量连接设备连接在一起的无线网络，每个设备都传输相对较少量的非延迟敏感数据。支持这些应用的设备需要低成本并且在小型电池组上运行多年。

5G 标准是第一个在一个保护伞下支持所有这些市场的标准。对于最终用户而言，5G 将是一个连接应用的生态系统。每个应用程序将根据所需任务自适应地管理数据速度、延迟和可靠性。例如，自动驾驶汽车需要可靠、即时的响应和高速公路上的安全链接。为了支持这一点，5G 网络将提供广泛的覆盖范围、低延迟和加密的通信链路。

5G 网络将允许服务提供商通过在提供数据、语音、视频、物联网和关键通信的单一标准下整合多个通信系统来满足其所有最终用户的应用需求。

5G极限规格

即使快速浏览一下 5G 规范，也会发现大量新规范，在速度、带宽、延迟、容量、密度、频谱效率、网络效率、可靠性、覆盖范围等方面都有一到两个数量级的改进。新标准如何以比以往更快的速度支持各种设备之间的大量信息传输，并在广泛的覆盖范围内提供高水平的安全性。

5G技术要求

欧洲电信标准协会 (ETSI) 列举了八项 5G 要求：

1. 峰值数据速率 (Gbit/s)

2. 用户体验数据速率 (Mbit/s)

3. 延迟(毫秒)

4. 频谱效率

5. 流动性(公里/小时)

6. 连接密度(设备/ km 2)

7. 网络能源效率

8. 区域流量(Mbit/s/m 2)

为了满足 5G 标准的挑战性要求，正在采用几种新兴技术，包括：

· 毫米波，

· 波束成形，

· 大规模多输入多输出 (MIMO)，

· 载波聚合，以及

· 小cell。

其商业实施所涉及的技术挑战是巨大的，其中一些挑战让设计界彻夜难眠。要了解原因，让我们检查每种技术。

毫米波

5G 之前的所有无线标准都与其他服务(无线电、高清电视、警察/消防/EMS、政府、军队等)共享无线电频谱，占用大约 1 GHz 到 30 GHz 之间的各种许可和未许可频段。21 世纪之交后的某个时间，我们认为可用频谱的最后几个频段要么被拍卖，要么被分配给其他应用，没有更多带宽用于 30 GHz 以下的 5G 扩展。为了解决这个问题，技术人员开始考虑覆盖 30 GHz 和 300 GHz 之间频率范围的频谱块，通常称为毫米波 (mmWave) 频谱，该频谱基本上仍未被占用。