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📜  5G面临的挑战

📅  最后修改于: 2021-08-25 18:49:01             🧑  作者: Mango

预计第五代(5G)网络将支持大量数据流量。它旨在为数百万个无线连接提供服务。通过利用某些先进技术，例如小型蜂窝，大规模MIMO等，5G可以支持广泛的设备和应用，这将进一步促进物联网(IOT)的发展。但是，这些技术有其自身的挑战，这使建立5G变得困难。

技术与挑战：
这些解释如下。

  1. 毫米波：
    5G之所以使用毫米波，是因为它们的波长在1毫米至10毫米之间。

    图– 5G的毫米波范围

    这些是3 GHz至300 GHz范围内的高频波，其中5G已建议从24 GHz至100 GHz范围内。这将使大量设备和技术能够使用带宽，并能更好地流传输更高质量的视频和其他多媒体内容。

    但是，这进一步暴露了5G的某些障碍。
    由于毫米波是高频波，因此它们更容易受到建筑物，树木和其他建筑物的阻碍。此外，它们可能会被云和雨水削弱。因此，当今大规模使用的传统蜂窝塔可能会徒劳无功。之所以如此，是因为波频率和天线尺寸之间的关系成反比。这就是下一项技术的到来。

  2. 小蜂窝：
    “小小区”是低功率无线电接入节点的术语，可帮助向室内和室外区域提供服务。小型蜂窝天线的范围在10 m至2 km之间。
    为了扩展宏小区的覆盖范围，将分布式天线系统(DAS)与蜂窝塔配合使用。 DAS从基站接收信号并将其增强以增加信号可以到达的区域。小型蜂窝将成为5G网络的关键组成部分，因为它们会增加网络容量，密度，速度和覆盖范围。

    除了由小型蜂窝小区提供的所有便利之外，在小型蜂窝小区的实施过程中还存在一些挑战或缺点，它们是：

    1. 小型小区必须是低成本的，因为它们是为较小范围内的较少用户设置的。
    2. 建立5G网络所需的小型小区数量可能使其在农村地区难以建立。
    3. 对于移动网络运算符，应该很容易诊断潜在的问题并维护小型基站。
    4. 它们在物理上应该小巧轻便，以便部署在路灯杆，建筑物墙壁的侧面等上。
    5. 这些应具有较高的天气可靠性。
  3. 大规模MIMO：
    MIMO是一种无线电通信技术，代表多输入多输出。 MIMO的基本框架是在发射器和接收器处具有多个天线。 MIMO利用各种发射机和接收机之间存在的多条路径，从而确保了高数据速率下的可靠通信。

    对于较旧的技术，一个小区最多只能有十根天线，而对于5G，一个小区最多可以有一百根天线，这意味着一个小区可以同时为更多用户提供服务，并且效率和速度更高。但是，这一切都是有代价的，这意味着大规模MIMO具有其自身的复杂性。天线一次在所有方向上广播信息，这可能会造成巨大的干扰。此问题可以通过使用另一种称为波束成形的5G技术来解决。

  4. 波束成形：
    波束成形是一种MIMO技术，其中发射器或天线将窄信号束聚焦在接收器方向上。它要求发射机知道无线信道。
    在波束成形的工作中，部署了多个相邻的天线，它们以略微不同的时序广播信号。重叠的波会产生相长干涉或相消干涉，分别使信号变强或变弱。如果正确执行此操作，则波束成形会将信号聚焦到其路径上。

    接入点形成一个窄光束，该光束在特定方向而不是在广角上具有高增益。该波束指向必须从其接收数据的订户，与订户的波束相交并接收其数据。限制包括所需的计算资源，因为它们需要更多的时间和功能。计算上的波束成形是可以计算波束的元素输出的线性组合。

  5. 非正交多路访问(NOMA)：
    NOMA用于解决诸如高频谱效率和大规模连接之类的挑战。 NOMA的典型方法是对用户进行分组，并使用不同的传输功率叠加其数据信号，然后再使用相同的波束成形以相同的方式传输组的信号。尽管NOMA的基本信号波形可以基于(正交频分多址)OFDMA，但它会在功率域中叠加多个用户。

    此技术存在某些局限性和挑战。这些都是：

    1. 码域复用具有提高频谱效率的潜力，但需要高传输带宽，因此不容易应用于当前系统
    2. 在NOMA中，由于每个用户都需要在解码自己的信号之前对一些用户的信号进行解码，因此与OMA相比，接收机的计算复杂度将增加，从而导致更长的延迟。
    3. 所有用户的信道增益信息应反馈给基站(BS)，但这会导致大量的信道状态信息(CSI)反馈开销
    4. 此外，如果在任何用户的SIC处理期间发生任何错误，则将增加连续解码的错误概率。
  6. 软件定义网络(SDN)：
    在SDN中，控制平面在物理上与其各自的数据平面隔离，即应用程序和OS层与硬件分离，从而集中了其智能并抽象了其体系结构。单个控制平面由所有单独的控制平面组成，并且其功能与之前完全相同，只是对于整个设备中的大量设备而言，这意味着存在集中定义的控制逻辑。两个平面之间的通信通过API完成。为了使控制器切换通信，可以使用像OpenFlow这样的协议。

    SDN的实施面临两个主要挑战：

    (一世)。规则放置问题–

    • SDN中的转发是使用集中控制器定义的流表完成的。称为三态内容可寻址存储器(TCAM)的存储器的大小受到限制。
    • 除此以外，TCAM非常昂贵。

    (ii)。控制器放置问题–

    • 控制器根据要求定义流规则，并且必须能够处理所有容易引起延迟的请求。
    • 如果大型网络的控制器数量很少，则可能会变得很拥挤。

不管第五代网络准备将最先进的技术投入使用，还是有许多其他挑战阻碍了全球5G的成功建立。这些在下面列出：

  • 全世界的频率缺乏协调。观察到不同的国家具有不同的频率。
  • 对频率和带宽进行校准测量非常昂贵，耗时，并且需要大量专业知识。
  • 互调失真(IMD)可能是由于5G NR和传统LTE系统的频段接近造成的。
  • 覆盖广泛的地理频谱并适应当今具有高频范围的蜂窝网络足迹的能力本身就是一个巨大的挑战。
  • 农村和郊区不太可能享受5G投资，这将有可能扩大数字鸿沟。

但是，独立经济研究预测5G网络和服务将在本十年内带来非常可观的经济收益。