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5G要用毫米波,需要解决这两个问题

5G要用毫米波,需要解决这两个问题

本月早些时候,工信部、中国IMT-2020(5G)推进组确定了三大运营商的5G商用计划,按照计划中国将于2017年展开5G网络第二阶段测试,2018年进行大规模试验组网,到2019年启动5G网络建设,预计最快2020年正式商用。

5G拥有数千兆的传输速度,这是5G最大的特点之一,高传输速度并非凭空而来。

在雷锋网(公众号:雷锋网)昨日发布的《5G到来之前,我们先聊聊千兆级LTE是什么》一文中,我们提到要达到千兆级的传输速度,必须有载波聚合、高阶调制和高阶MIMO三项技术的支持,而5G所需的很多技术也正是由4G演进而来。

4G LTE-A的一个载波是20MHz,5G的一个载波为100MHz;4G目前的极限是实现四载波聚合,5G可以做到八载波聚合。

不过,5G能够实现4G明显的区别是,前者不仅支持6GHz以下低频段,还能延伸到26.5~300GHz的毫米波频段。这一变化的意义是显而易见的,4G之前,带宽资源极其稀缺,增加频谱利用率几乎是提高传输速度的唯一选择,而毫米波通过毫米波频段资源则直接解决了这一问题。

毫米波这个频段,我们再谈论的就不是几十兆赫兹的带宽,它将会是几百兆、甚至千兆级的带宽。

高通产品市场高级总监沈磊如此表示。

但不可否认的是,毫米波有两个致命短板:氧分子对它的吸收会比低频谱明显,所以毫米波频谱衰减的比较快;另外,该频段穿透障碍物的能力比较差,无法穿过障碍物。所以,之前业界对毫米波的认知就是更适用于短距传输,5G必须克服这一难题。

频率高利于波束成形:“曲线救国”补偿衰减

无线通信中,频率越高波长越低,天线就可以做成很小的尺寸。举个例子,现在手机中天线的长度还是几厘米,它需要有一个完整的立体空间;如果用毫米波,它的波长是毫米级别,因此单一天线也将是毫米级别,这样可以在手机有限的空间里同时设计多个天线。

沈磊表示, 多个天线的优势就是可以形成一个天线阵列,每个天线会发出自己的振幅和相位。如果能有效地控制这些天线,让它发出的每个电磁波的空间互相抵消或者增强,就可以形成一个波束,而不再是全向发射,这种将无线信号(电磁波)按特定方向传播的技术叫做波束成形(beamforming)。

一两个天线是无法形成波束的,但如果单个终端有很多天线(如8个、16个、32个天线),就不需要再全向发射。每个天线的电磁波空间可以叠加成很窄的波束,再把所有能量聚集在上面,对想发射的那个方向进行传输,这就是波束成形。

形成很窄的波束后,有限的能量都集中在一条线上进行传输,因此能量传输速率就可以得到明显提升,补偿快速衰减的频谱特性。例如,军舰上的雷达早就应用到了微波的波束成形,在这种雷达的天线板上面有数百个天线,能量聚集在一点就可以实现高速远距离传输。

另一方面,波束成形意味着收发两点之间只是一条线,每个终端之间信号传输的波束重合和干扰的机会很小,整个系统的功耗、复杂程度都可以降下来。

相应的,如果A手机的信号是全向发射的,附近的B手机就可以接收到A的信号,B手机必须要把这个信号滤掉。要过滤掉这些信号,天线和基带的编码复杂程度都要增加,终端就需要容错的编码,如果还是处理不了,还要重发发射信号,很明显编码的复杂程度等等都需要增加。

5G要用毫米波,需要解决这两个问题

数据来源:高通5G毫米波研发测试平台

另外,因为终端是有移动性的,这些终端在移动的过程中,基站还要追踪终端不断变化的位置,每秒钟计算终端在什么地方,波束需要不停地调节,使得两个互相通讯点之间、终端和基站之间维持稳定的自适应波束(如上图),沈磊表示,现在的天线技术已经完全可以达到这个效果。

实际上,2G、3G、4G,包括千兆级LTE,所有的天线发射都是全向发射,5G使用毫米波将颠覆这一设计。

波束成形后可反射:弥补穿透力差的劣势

仅仅解决衰减问题还不足以让毫米波在复杂的移动通信场景中使用,第二个需要解决的就是穿透力差的短板。

目前还没有有效的方法来直接改善毫米波的穿透力,但业界正在测试的是 通过反射和折射来帮助毫米波实现非视距的通信。 沈磊指出,根据目前的实验结果来看,波束的反射和折射效果已经超出了业界的预期。例如,当用户在一个障碍物后面,波束依然可以通过室内的墙、玻璃,在户外有其他的建筑物、树木,它仍然可以找到一个好的方向、一个好的波束,经过几次反射折射之后,波束就能把信号传输到目标位置。

5G要用毫米波,需要解决这两个问题

当然,虽然通过波束成形技术、利用反射和折射,毫米波可以穿越障碍物,可以拥有很好的非视距传输效果,但这些场景还只是在实验阶段,要实现商用还有很多技术难点要攻克。高通和Facebook等科技企业是5G毫米波的最大支持者,前者在今年10月发布了业界首款X50 5G调制解调器,该产品就是针对3GPP标准出现之前运营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则希望通过Aquila无人机和毫米波来将网络覆盖至偏远地区,不久前他们还对外宣称其毫米波测试实现了13km距离下达到20Gbps的传输速率。

不过,还有不少业内人士认为毫米波并不适用于移动通信的应用场景,其更多的是可能作为低频的一个补充,即毫米波部署在室内环境,而室外通信以低频为主。至于5G最终会是什么样的形态,我们还无法做出准确的预测。

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