本月早些時(shí)候,工信部、中國IMT-2020(5G)推進(jìn)組確定了三大運(yùn)營商的5G商用計(jì)劃,按照計(jì)劃中國將于2017年展開5G網(wǎng)絡(luò)第二階段測試,2018年進(jìn)行大規(guī)模試驗(yàn)組網(wǎng),到2019年啟動5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè),預(yù)計(jì)最快2020年正式商用。
5G擁有數(shù)千兆的傳輸速度,這是5G最大的特點(diǎn)之一,高傳輸速度并非憑空而來。
在雷鋒網(wǎng)(公眾號:雷鋒網(wǎng))昨日發(fā)布的《5G到來之前,我們先聊聊千兆級LTE是什么》一文中,我們提到要達(dá)到千兆級的傳輸速度,必須有載波聚合、高階調(diào)制和高階MIMO三項(xiàng)技術(shù)的支持,而5G所需的很多技術(shù)也正是由4G演進(jìn)而來。
4G LTE-A的一個(gè)載波是20MHz,5G的一個(gè)載波為100MHz;4G目前的極限是實(shí)現(xiàn)四載波聚合,5G可以做到八載波聚合。
不過,5G能夠?qū)崿F(xiàn)4G明顯的區(qū)別是,前者不僅支持6GHz以下低頻段,還能延伸到26.5~300GHz的毫米波頻段。這一變化的意義是顯而易見的,4G之前,帶寬資源極其稀缺,增加頻譜利用率幾乎是提高傳輸速度的唯一選擇,而毫米波通過毫米波頻段資源則直接解決了這一問題。
毫米波這個(gè)頻段,我們再談?wù)摰木筒皇菐资缀掌澋膸?,它將會是幾百兆、甚至千兆級的帶寬?/p>
高通產(chǎn)品市場高級總監(jiān)沈磊如此表示。
但不可否認(rèn)的是,毫米波有兩個(gè)致命短板:氧分子對它的吸收會比低頻譜明顯,所以毫米波頻譜衰減的比較快;另外,該頻段穿透障礙物的能力比較差,無法穿過障礙物。所以,之前業(yè)界對毫米波的認(rèn)知就是更適用于短距傳輸,5G必須克服這一難題。
頻率高利于波束成形:“曲線救國”補(bǔ)償衰減
無線通信中,頻率越高波長越低,天線就可以做成很小的尺寸。舉個(gè)例子,現(xiàn)在手機(jī)中天線的長度還是幾厘米,它需要有一個(gè)完整的立體空間;如果用毫米波,它的波長是毫米級別,因此單一天線也將是毫米級別,這樣可以在手機(jī)有限的空間里同時(shí)設(shè)計(jì)多個(gè)天線。
沈磊表示,多個(gè)天線的優(yōu)勢就是可以形成一個(gè)天線陣列,每個(gè)天線會發(fā)出自己的振幅和相位。如果能有效地控制這些天線,讓它發(fā)出的每個(gè)電磁波的空間互相抵消或者增強(qiáng),就可以形成一個(gè)波束,而不再是全向發(fā)射,這種將無線信號(電磁波)按特定方向傳播的技術(shù)叫做波束成形(beamforming)。
一兩個(gè)天線是無法形成波束的,但如果單個(gè)終端有很多天線(如8個(gè)、16個(gè)、32個(gè)天線),就不需要再全向發(fā)射。每個(gè)天線的電磁波空間可以疊加成很窄的波束,再把所有能量聚集在上面,對想發(fā)射的那個(gè)方向進(jìn)行傳輸,這就是波束成形。
形成很窄的波束后,有限的能量都集中在一條線上進(jìn)行傳輸,因此能量傳輸速率就可以得到明顯提升,補(bǔ)償快速衰減的頻譜特性。例如,軍艦上的雷達(dá)早就應(yīng)用到了微波的波束成形,在這種雷達(dá)的天線板上面有數(shù)百個(gè)天線,能量聚集在一點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)高速遠(yuǎn)距離傳輸。
另一方面,波束成形意味著收發(fā)兩點(diǎn)之間只是一條線,每個(gè)終端之間信號傳輸?shù)牟ㄊ睾虾透蓴_的機(jī)會很小,整個(gè)系統(tǒng)的功耗、復(fù)雜程度都可以降下來。
相應(yīng)的,如果A手機(jī)的信號是全向發(fā)射的,附近的B手機(jī)就可以接收到A的信號,B手機(jī)必須要把這個(gè)信號濾掉。要過濾掉這些信號,天線和基帶的編碼復(fù)雜程度都要增加,終端就需要容錯的編碼,如果還是處理不了,還要重發(fā)發(fā)射信號,很明顯編碼的復(fù)雜程度等等都需要增加。
數(shù)據(jù)來源:高通5G毫米波研發(fā)測試平臺
另外,因?yàn)榻K端是有移動性的,這些終端在移動的過程中,基站還要追蹤終端不斷變化的位置,每秒鐘計(jì)算終端在什么地方,波束需要不停地調(diào)節(jié),使得兩個(gè)互相通訊點(diǎn)之間、終端和基站之間維持穩(wěn)定的自適應(yīng)波束(如上圖),沈磊表示,現(xiàn)在的天線技術(shù)已經(jīng)完全可以達(dá)到這個(gè)效果。
實(shí)際上,2G、3G、4G,包括千兆級LTE,所有的天線發(fā)射都是全向發(fā)射,5G使用毫米波將顛覆這一設(shè)計(jì)。
波束成形后可反射:彌補(bǔ)穿透力差的劣勢
僅僅解決衰減問題還不足以讓毫米波在復(fù)雜的移動通信場景中使用,第二個(gè)需要解決的就是穿透力差的短板。
目前還沒有有效的方法來直接改善毫米波的穿透力,但業(yè)界正在測試的是通過反射和折射來幫助毫米波實(shí)現(xiàn)非視距的通信。沈磊指出,根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,波束的反射和折射效果已經(jīng)超出了業(yè)界的預(yù)期。例如,當(dāng)用戶在一個(gè)障礙物后面,波束依然可以通過室內(nèi)的墻、玻璃,在戶外有其他的建筑物、樹木,它仍然可以找到一個(gè)好的方向、一個(gè)好的波束,經(jīng)過幾次反射折射之后,波束就能把信號傳輸?shù)侥繕?biāo)位置。
當(dāng)然,雖然通過波束成形技術(shù)、利用反射和折射,毫米波可以穿越障礙物,可以擁有很好的非視距傳輸效果,但這些場景還只是在實(shí)驗(yàn)階段,要實(shí)現(xiàn)商用還有很多技術(shù)難點(diǎn)要攻克。高通和Facebook等科技企業(yè)是5G毫米波的最大支持者,前者在今年10月發(fā)布了業(yè)界首款X50 5G調(diào)制解調(diào)器,該產(chǎn)品就是針對3GPP標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)之前運(yùn)營商的前期部署推出的,如采用28GHz的毫米波的Verizon的5G TF和Korea Telecom;而Facebook則希望通過Aquila無人機(jī)和毫米波來將網(wǎng)絡(luò)覆蓋至偏遠(yuǎn)地區(qū),不久前他們還對外宣稱其毫米波測試實(shí)現(xiàn)了13km距離下達(dá)到20Gbps的傳輸速率。
不過,還有不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為毫米波并不適用于移動通信的應(yīng)用場景,其更多的是可能作為低頻的一個(gè)補(bǔ)充,即毫米波部署在室內(nèi)環(huán)境,而室外通信以低頻為主。至于5G最終會是什么樣的形態(tài),我們還無法做出準(zhǔn)確的預(yù)測。