5G与千兆比特（Gigabit）LTE：差异解释

　　5G即将到来，至少一些运营商是这么认为的。但是，至少在2019年之前，你不会找到能够实际使用5G的手机。而与此同时，其他网络和设备制造商早在2015年就已经开始试用千兆比特(Gigabit)LTE以加快网络速度。随着AT&T试图用“ 5G Evolution(5G 演进)“的计划来吸引消费者，现在越来越难以确切地知道这个世界性的下一代无线网络将会是什么样子的。

　　图1、5G即将到来

　　我们会很快看到真正的5G吗?千兆比特(Gigabit)LTE是会变差还是和原来的一样好?消费者真的会在手机上使用到它们吗?本文让我们说明这两种网络技术之间的差异，并试图找出答案。

　　技术标准

　　5G和千兆比特(Gigabit)LTE容易混淆的问题在于各公司和运营商一直在使用这些术语来描述不同的事情。5G有非独立(Non-Standalone)和(即将推出的)5G独立标准(Standalone standard )之间的一些区别，以及这对于产品和用例意味着什么 - 简而言之，5G并不是一个单一的“东西”。类似地，千兆比特(Gigabit)LTE网络已经使用新的高频和/或低频频谱，未经许可的频谱以及来自LTE和Wi-Fi信号的聚合来构建。它也被称为LTE-Advanced，LTE Advanced Pro和“pre-5G”等，但其统一因素是千兆比特(Gigabit)LTE能够提供超过1 Gbps的下载速度。

　　有很多方法可以实现更快的无线数据传输速度，这在一定程度上导致了这种混乱。我们将遵循3GPP标准中的一些细节，告诉大家每种技术需要什么样的工作方式以及它能够为消费者提供什么。速度超过1 Gbps的第一个规范在3GPP 的Release 13协议版本中发布，而第一个5G NSA协议规范发布在3GPP 的Release 15中。

　　图2、3GPP的相关协议演进

　　从上表可以看出，随着这些协议版本逐渐增加，引入了额外的功能和硬件支持，以实现更高的传输速度。一些主要的技术理论是与更快的传输速度关联在一起的：可汇聚在一起的载波数量的增加，更大的MIMO以及对更广泛的频谱共享技术的支持。向5G非独立(新无线电，New Radio，NR)规范的转变旨在通过在6 GHz以下的频段和毫米波频率中增加更多的频谱和载波来进一步提升网络速度。

　　就速度而言，引入LTE-Advanced Pro和5G新型无线电可让我们超越1 Gbps的网络速度障碍。但是，在这个时候值得一提的是，用户峰值数据速率将远低于这些理论的最大值。

　　图3、5G设备原型

　　5G和千兆比特(Gigabit)LTE都旨在通过增加可用频率范围和传输数据的载波数量来提高速度。

　　这是因为实际速度取决于您当前区域的可用频谱类型，例如毫米波天线或LAA小型蜂窝基站集线器(small-cell hub)，以及你口袋中的手机所能够支持的技术。拥有5G手机并不能保证一定能获得比千兆比特(Gigabit)LTE更快的速度。

　　现在，我们来仔细看看这些发布的3GPP协议中涉及的各种技术，以及它们与5G和千兆比特(Gigabit)LTE的关系。

　　它们是如何工作的

　　提高数据速度的关键是通过载波聚合，即通过合并从多个子单元载波带宽获取数据来提高吞吐量。第一代LTE网络和手机仅使用一个20 MHz载波带宽，但LTE-Advanced在LTE网络中引入了混合载波带宽的概念。随后是LTE-Advanced Pro，它进一步增加了汇聚的载波数量，并开始支持各种非授权频谱的技术。未经许可的频谱包括混合来自2.4GHz或者5 Ghz的Wi-Fi频段的信号，以及围绕类似的6 GHz以下频段的其他小型蜂窝小区的实施。

　　多输入多输出(MIMO)技术也同样重要。这与载波聚合(carrier aggregation)相似，因为该数据流可以针对每个载波带宽跨多个天线并行发送。除了用于增加吞吐量外，多输入多输出(MIMO)还可以通过将这些并行天线发送相同的数据以检查错误并防止数据包丢失。当谈到采用毫米波技术的5G无线电时，大规模MIMO(massive MIMO)变得更加重要。这是因为非常高频毫米波技术更依赖于视距(line-of-sight)通信，所以MIMO对于确保消息可以完好地到达目的地手机至关重要。

　　图4、LTE向5G演进之路

　　使用千兆比特(Gigabit)LTE时，五个或者更多的LTE载波带宽聚合在一起以提供更高的峰值数据速率。这可能来自各种各样的频谱，包括T-Mobile的600 MHz频谱等1 GHz以下的长距离低频段频谱。在诸如城市中心等建筑物区域，您可能会发现这些传统的LTE频段增加了额外的宏蜂窝，这些宏蜂窝在非授权频谱中运行，以进一步增加可用频段的数量进行汇聚并提供更多带宽，从而提升传输速率。

　　来自多个载波的聚合对于改善小区网络边缘处的用户速度也具有优势，因为可以将多个较弱的信号组合在一起以获得更高的吞吐量。当然，要使用这些高速度，您需要一款不仅兼容这些技术的调制解调器的智能手机，而且还需要一个无线电前端，以便拾取您的运营商所提供的正确的频段中的数据信息。

　　第一代5G网络将继续使用我们熟悉的LTE锚点，通过新的毫米波和新频段的专用5G频谱扩大千兆比特(Gigabit)LTE可实现的功能。换句话说，第一个5G网络将通过开放用于移动数据的新频段，将这一长期运行的载波汇聚理念提升到了一个新的层次。

　　图5、千兆比特(Gigabit)LTE

　　当移动到新的毫米波和其他高频频段时，才真正将5G与千兆比特(Gigabit)LTE分隔开来，但是这种转变并非简单的切换。

　　这些高频率很容易被墙壁甚至你的手挡住。没错，即使拿着智能手机也足以阻止非常高的频率数据到达天线。 5G智能手机天线需要重新设计，以便他们能够处理更加挑剔的频率。无线电射频前端也必须进行调整以迎合这些频段，这需要进行一些较低级别的重新设计产品的工作。这是在用波束成形和其他相关技术推出5G毫米波发射机时遇到的问题之一。

　　而千兆比特(Gigabit)LTE更容易投入产品，因为它基于现有的通用无线电技术。 5G mmWave提出了新的设计挑战。

　　除了智能手机级蜂窝宽带，千兆比特(Gigabit)LTE和5G新无线电还为新兴用例提供了一系列新的通信技术和协议。 LTE Direct，LTE Broadcast和C-V2X旨在实现设备到设备的连接，而无需穿越大型的蜂窝网络。此外，还支持使用eMTC和窄带物联网技术的物联网，适用于从智能家居到无人机的各种应用。

　　图6、5G NR的特征

　　千兆比特(Gigabit)LTE更容易实现，因为天线阵列设计与现在应用中的天线的非常相似，并且功率消耗大部分保持不变。使用千兆比特LTE，智能手机设计和外形形状可能保持不变，而5G智能手机则需要一些显著的重新设计。

　　我们应该关心哪一个?

　　随着5G的巨大的市场性和潜在的应用范式转变，千兆LTE可能有点容易被忽视。但是该技术仍然在为消费者提供了重要的速度提升，全球许多LTE网络仍有大量增长。看看为世界上一些最快的国家收集的数据包括美国，欧洲，印度和其他国家的数据。这些国家的运营商可以明显赶上像韩国这样的行业领导者，而不需要5G技术。

　　对于智能手机，千兆LTE可用于即使是最艰难的消费者移动用例中，例如4K视频流媒体，它只需要13 Mbps左右的下载速度即可进行实时流式传输。当然，仅仅在千兆LTE网络上并不意味着实际上你会看到1000Mbps的速度，但是传输速度超过50Mbps在这些网络中很常见。相反，5G将更多地体现大众物联网和非常低延迟的应用场景，例如自动无人驾驶汽车，这标志着移动用户日常互联网使用体验的重大转变。

　　图7、5G调制解调器可能比千兆LTE更快，但真实世界移动用例的速度可能会非常相似

　　实用性也是一个重要的考虑点。 5G技术不仅需要在网络硬件方面进行重新设计，而且还需要在设备中进行重新设计。新的调制解调器，更重要的是，前端无线电设计将非常昂贵且棘手，以适应现有的移动终端的外形形状和尺寸。相比之下，千兆比特LTE易于实现，主要是扩展现有的网络LTE和Wi-Fi频段。

　　这并不是否认5G作为移动网络的重要发展阶段的必要性。除了更快的速度，更高的带宽和更低的延迟，5G将在物联网，汽车和连接行业中实现革新的应用案例，并在5G后端改变现有LTE核心时实现新的更高效的服务。然而，至少在2019年前，第一批5G网络将不会出现，即便出现了，大部分5G网络仍将会保留用于某些城市内部的热点位置。调制解调器和使用它们的RF前端实施的智能手机可能会在更远的将来才能实现。

　　图8、5G 分层覆盖

　　在可预见的未来，LTE仍将为所有全球移动网络提供支持。首批5G非独立网络实际上只会增加现有网络的频谱资源，使传输带宽更高。如果您正在考虑购买新款智能手机，请不要支持5G型号。与千兆LTE网络兼容的任何手机在未来的几年内或多或少都会继续为您提供高速传输速率。