【程序人生 编者按】对于技术人来说，知其然，更要知其所以然。人们都知道，5G比4G快。那么到底快在哪里？因为什么这么快？我们请到了北邮通信博士崔原豪、知乎大V“甜草莓”来为大家剖析这个问题！
作者 | 崔原豪
责编 | 胡巍巍
出品 | CSDN（ID：CSDNnews）
事实上不是“5G比4G要快”，而是“为了比4G快，提出了5G”。3G以后的每一代无线通信都是先提出目标，然后再考虑系统设计和技术选用。
所以我们可以看看4G与5G所提出关于“快”的定义(目标)分别是什么：
大概可以理解为传输速率快，传输延迟低。
传输速率快
任何对通信数据传输速率的提升都绕不开香农信道容量公式：
那就很容易理解咯，我们在5G也会采用同样的方式来提高数据传输速率: 提升频带宽度和提升信噪比。具体起来就是：
毫米波（提升频带宽度）；
更先进的波束赋形（提升信噪比）；
超大规模天线，全双工无线（提升频带宽度和信噪比，空域）。
毫米波
1-4代无线通信中采用的300MHz-3GHz频谱有穿透性好，覆盖范围大等优点，但是有一个很重要的缺点：就是频带宽度太窄了！！这个频段内的无线设备太多了！！频谱已经快分完了。
频谱又不存在负的，所以为了大容量高速率数据传输，只有往3GHz以上寻找可用频谱。
我们往上看看，那就是毫米波频段了(3GHz-300GHz)。毫米波频谱中存在两个特殊部分，氧气吸收频段(57-64GHz)和水蒸气吸收频段(164GHz-200GHz), 这两种频段不能用来通信，所以毫米波频段共有252GHz频带宽度可供使用 (此处应该再强调一下1-4代商用通信全都拥挤在3GHz以下频谱里)。
当然实际上5G是用不了那么多频带的，在各国毫米波频谱划分里，分给5G的毫米波频段宽度大概有3-6GHz，这已经足够把数据传输速率提升10倍左右了。
不过需要强调的是，5G标准需要三种频段，毫米波频段主要负责高速数据传输，目前毫米波的标准还未确定。
虽然毫米波已经在雷达，航天和军用通信中都有使用，但是在民用通信中还有很多很多挑战。这也是当前非常非常火热的无线通信研究方向，在这篇回答里就不深入介绍了。
更先进的波束赋形
4G中的基站天线是定向天线和全向天线混用，5G中由于毫米波覆盖范围窄，路径损耗大，复杂天气影响严重，所以需要通过波束设计完成发射能量聚焦，从而提升接受信号能量，提升信噪比(此处请回忆信道容量公式)，和覆盖范围。
波束赋形后的方向性波束可以帮助提升基站覆盖范围。而且，基站能量会更加有效。
实际上，由于5G中的波束赋形涉及Massive MIMO和毫米波的窄波束用户追踪、小区间波束切换调度和基站的LOS和NLOS问题，会更加困难一些，这同样这是一个很棒的无线通信研究方向。现在学术界很多人在考虑通过在基站覆盖范围内划分扇区，来帮助多天线波束切换。
Sectorized Antenna
超大规模天线（Massive MIMO）
无线通信中的多天线系统需要对每个天线赋予权重，才能提高空间分集/或复用增益。而现实情况下，这种算法是非线性的且计算复杂，天线越多越复杂。
但是令人惊奇的是，当天线数目非常非常多的时候，简单的线性预编码就可以很好的逼近最优结果。所以Massive MIMO自从提出就吸引了大量目光。
5G中Massive MIMO可能会有大量应用，不仅仅是大型宏基站，小型的毫米波发射器也有可能会装备Massive MIMO系统，因为毫米波天线波束窄，天线长度短，更适合Massive MIMO应用。
回到话题，Massive MIMO的好处是最大程度利用空域 资源，可以通过波束赋形同时提供多个波束服务小区用户，并可以同时提高用户的信噪比，提升数据传输速率。但是Massive MIMO中预编码，信道估计一直是个难题。
全双工无线电（目前不在Release 15中）
现存所有无线发射装置都是半双工的，半双工的意思是发送信号的同时不能接受信号否则会干扰自己（毕竟不是人类，自己说的话暂时还区分不清楚）。
全双工无线电就是同时收发信号，这样可以把数据传输速率X2，当然代价是图中的自干扰(红色圆弧)问题，甚至当用户过多时，用户之间的干扰也会X2。5G里的核心网设计是以C-RAN为主，这意味着可以通过中心化调度减轻自干扰，同时可以利用方向性天线，波束赋形，吸收屏蔽(absorptive shielding）和交叉极化(cross-polarization )完成收发机之间的孤立。
这样全双工无线电是可以应用在5G中的。
上述就是5G中的物理层技术进展，联合起来使用，也就是怎么做到“传输速度快”的。
传输延迟低
我们这里说的延迟是round-trip latency，大概可以理解为数据在接入网和核心网中往返所需的总时间。因为无线电的传播速度是相对固定的，无法压缩，所以有两种方法降低：降低信令损耗和压缩网络处理过程。
降低信令损耗的方式就是尽量减少不必要的信令，比如
- 通过全双工技术减少信道估计时间，
- 因为毫米波的多普勒扩展很少，所以可以缩减OFDM信号的CP前缀，压缩OFDM帧长度，
- 通过网格化设计毫米波基站，降低干扰和时延
压缩网络处理，形象理解就是扁平化公司等级，把决策权力下放。这样“向上汇报”次数少了，就会显著降低网络中不必要的开销。这其它答主也有提到。
标准的压缩核心网方式，就是“不经过不必要的处理单元”，换句话是控制结构和数据传输结构分离。当然现在还有很多其他的解决方案。一种比较好的压缩网络结构思路是现在学术界很火热的“fog computing”雾计算，就是把一些重复性计算工作下放，用无线接入端（基站等）做计算处理单元。
这样就可以当做一种另类的“计算缓存”，大大降低网络延迟。另外一种是非常正统的，当然也是非常热的研究方向"wireless caching”无线缓存，这种思路是缓存内容，以降低传输延迟。
fog computing
这些就是5G中的延迟部分进展，主要是MAC层技术，大概在讲怎么有效调度资源，怎么降低时延。
5G中还有其他很多不同的指标，比如“降低能量损耗”，“提高用户服务质量”，“提高小区容量”，这是每一句话都是一个非常大的话题，背后有很多研究所，很多大学都做出了非常棒的工作，其中的每个小领域都有很多人在研究，但是因为跟问题无关我就不仔细介绍了。
所以，您也可以看到，5G是通信产业界和学术界联合运作的结果，标准组织(产业界)提指标，选择合适技术和指导技术方向，研究机构和大学提出解决方案，完善技术路线（当然，时间顺序并不一定是这样的)。如果解决方案中有瑕疵，那么学术界继续完善，最终达到性能指标。
产业和学术一起合力，最后才是完整的5G。
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11 月 7 日，CSDN 邀请到本文作者——北京邮电大学信息与通信工程博士，芬兰阿尔托大学联合培养博士，知乎通信领域优秀回答者，崔原豪，为大家分享5G 中的机器通信技术。
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课程信息
主题：北邮博士解读 5G 中的机器通信，从mMTC到URLLC！
时间：11 月 7 日 20:00 -- 21：30
主讲人：北京邮电大学信息与通信工程博士，崔原豪
（扫码报名，免费听课）
课程大纲
1. 5G的标准演进、重要场景和指标
2. 蜂窝网中的机器通信发展和低功耗广域网(mMTC、URLLC和LPWAN)
3. 机器通信的业务需求和指标
4. 5G标准中机器通信的新技术和未来可能
讲师介绍
崔原豪，北京邮电大学信息与通信工程博士，芬兰阿尔托大学联合培养博士，知乎通信领域优秀回答者，2018年度荣誉会员，曾担任TWC，TCOM，TAES等多个通信领域顶级期刊和会议审稿人。
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