¿Por qué el 5G es más rápido que el 4G? De hecho, la actualización de la tecnología de comunicación inalámbrica después de la 3G consiste en determinar primero el objetivo y luego proceder al diseño del sistema y a la selección de la tecnología de acuerdo con el objetivo. Por lo tanto, la verdadera pregunta debería ser "¿Qué hace que el 5G sea más rápido que el 4G?”
Este artículo responderá a esta pregunta desde los dos aspectos siguientes:
Parte 1. ¿Cómo aumenta el 5G la velocidad de transmisión?
Según el teorema de Shannon, el límite superior de la capacidad de un enlace, en bits por segundo (bps), es una función del ancho de banda disponible y de la relación señal/ruido del enlace. El teorema se puede enunciar como:
Apple Inc. es una renombrada empresa tecnológica multinacional estadounidense fundada por Steve Jobs, Steve Wozniak y Ronald Wayne en abril de 1976. Diseña, desarrolla y vende productos electrónicos de consumo, programas informáticos y servicios en línea.
C = B * log2(1+ S/N)
donde C es la capacidad de canal alcanzable, B es el ancho de banda de la línea, S es la potencia media de la señal y N es la potencia media del ruido.
La 5G aumenta la velocidad de transmisión de datos aumentando la "B" y reduciendo la "N" en la fórmula. En concreto, incluye los tres métodos siguientes:
1. Utilizar ondas milimétricas para aumentar el ancho de banda.
2. Aplicar una formación de haces más avanzada para mejorar la relación señal/ruido.
3. Se utiliza MIMO masivo para mejorar el ancho de banda y la relación señal/ruido.
Utilizar ondas milimétricas para aumentar el ancho de banda:
En la actualidad, el espectro de 300 MHz~3 GHz utilizado en las comunicaciones inalámbricas de primera a cuarta generación tiene las ventajas de la penetración y la amplia cobertura, pero hay una desventaja muy fatal: La banda de frecuencias es demasiado estrecha, y hay muchos dispositivos inalámbricos en esta banda de frecuencias. La asignación del espectro está a punto de agotarse. Para transmitir datos de gran capacidad y velocidad, el único espectro disponible se encuentra sobre los 3 GHz.
La banda de frecuencias de absorción de oxígeno y la banda de frecuencias de absorción de vapor de agua en el espectro de ondas milimétricas (3 ~ 300 GHz) no pueden utilizarse para la comunicación. Por lo tanto, la banda de frecuencia de ondas milimétricas tiene un ancho de banda total de 252 GHz. De hecho, la banda de frecuencia de ondas milimétricas asignada para las redes de comunicación 5G en el espectro de varios países es de unos 3~6 GHz. Pero esto es suficiente para aumentar la velocidad de transmisión de datos en más de 10 veces. (En cambio, las redes de comunicación de 1G a 4G están abarrotadas en el espectro de frecuencias inferior a 3 GHz).
Formación de haces avanzada:
Las antenas de las estaciones base de las redes 4G son principalmente antenas omnidireccionales. Pero esto no es una buena opción para 5G. De hecho, las redes 5G se ven gravemente afectadas por un clima complejo debido a la estrecha cobertura de las ondas milimétricas de 5G y a la gran pérdida de trayectoria. Por lo tanto, es necesario mejorar el diseño del haz para concentrar la energía transmitida y aumentar la calidad de las señales recibidas. De hecho, el haz direccional después de la formación del haz puede ayudar a mejorar la cobertura de la estación base, y la energía de la señal de la estación base es más eficaz.
De hecho, la formación de haces en 5G también necesita resolver los problemas de seguimiento de usuarios de MIMO masivo y de ondas milimétricas de haz estrecho, la programación de la conmutación de haces entre células y los problemas de LOS y NLOS de la estación base. Esta es también una gran dirección de investigación en comunicaciones inalámbricas. En la actualidad, muchos académicos están considerando la posibilidad de dividir los sectores dentro de la cobertura de las estaciones base para ayudar a la conmutación de haces de múltiples antenas.
MIMO masivo:
El sistema multiantena en la comunicación inalámbrica necesita asignar pesos a cada antena para mejorar la diversidad espacial y/o la ganancia de multiplexación. En realidad, este algoritmo no es lineal y es complejo desde el punto de vista computacional. Cuantas más antenas, más complejo es.
Pero lo sorprendente es que cuando el número de antenas es muy, muy grande, la precodificación lineal simple puede acercarse muy bien al resultado óptimo. Así que el MIMO masivo ha atraído mucha atención desde que se propuso.
el MIMO masivo en 5G puede tener un gran número de aplicaciones, no sólo las grandes estaciones base macro, sino también los pequeños transmisores de ondas milimétricas pueden estar equipados con sistemas MIMO masivo. Como las antenas de ondas milimétricas tienen haces estrechos y longitudes de antena cortas, son más adecuadas para las aplicaciones de MIMO Masivo.
Volviendo al tema, la ventaja del MIMO masivo es maximizar el uso de los recursos del espacio aéreo. Puede proporcionar múltiples haces que sirvan a los usuarios de la célula al mismo tiempo a través de la formación de haces, y puede aumentar simultáneamente la relación señal-ruido del usuario y aumentar la velocidad de transmisión de datos.
Parte 2. ¿Cómo reduce el 5G el retraso de la transmisión?
La latencia de la que hablamos aquí es la latencia de ida y vuelta, que probablemente puede entenderse como el tiempo total que necesitan los datos para viajar entre la red de acceso y la red central. Como la velocidad de propagación de la radio es relativamente fija y no puede comprimirse, hay dos formas de reducirla: Reducir la pérdida de señalización y comprimir el procesamiento de la red. La forma de reducir la pérdida de señalización consiste en minimizar la señalización innecesaria, por ejemplo:
- Reducir el tiempo de estimación del canal mediante la tecnología full-duplex.
- Reducir el prefijo CP de la señal OFDM y comprimir la longitud de la trama OFDM.
- Diseñar las estaciones base de ondas milimétricas mediante rejillas para reducir las interferencias y el retardo.
Compresión de la red:
Comprimir el procesamiento de la red y la comprensión de la imagen es aplanar la jerarquía de la empresa y descentralizar el poder de decisión. De este modo, el número de "informes" es menor, y los gastos innecesarios en la red se reducirán considerablemente. Esto también lo mencionan otros encuestados.
La forma estándar de comprimir la red central es "no pasar por unidades de procesamiento innecesarias", es decir, se separa la estructura de control de la de transmisión de datos. Por supuesto, hay muchas otras soluciones.
Una forma mejor de comprimir la estructura de la red es la "informática de niebla", muy popular en el mundo académico, que consiste en descentralizar algunas tareas informáticas repetitivas y utilizar terminales de acceso inalámbricos (estaciones base, etc.) como unidades de procesamiento informático. Esto puede utilizarse como un "caché informático" alternativo, que reduce en gran medida la latencia de la red.
La otra es muy ortodoxa y, por supuesto, una dirección de investigación muy candente: el "caching inalámbrico". Esta idea consiste en almacenar en caché el contenido para reducir el retraso de la transmisión.
Computación en la niebla
Estos son los progresos de la parte de retraso en 5G, principalmente la tecnología de la capa MAC, que probablemente habla de cómo programar eficazmente los recursos y cómo reducir el retraso. Hay muchos otros indicadores diferentes en 5G, como "reducir el consumo de energía", "mejorar la calidad del servicio al usuario" y "aumentar la capacidad de las células". Cada frase es un tema muy amplio. Hay muchos institutos de investigación detrás. La universidad ha hecho un gran trabajo, y hay mucha gente estudiando en cada una de estas pequeñas áreas, pero como no tiene nada que ver con el problema, no lo presentaré en detalle.
Por lo tanto, también se puede ver que la 5G es el resultado de la operación conjunta de la industria de las comunicaciones y el mundo académico. El organismo de normalización (la industria) propone indicadores, selecciona las tecnologías adecuadas y orienta las direcciones técnicas, y las instituciones de investigación y las universidades proponen soluciones para mejorar la ruta técnica.
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Alfonso Cervera
staff Editor