在2015年的MWC上國內(nèi)外廠商紛紛展示各自在5G上的進展之后,5G就瞬間成為了業(yè)界的討論的焦點,,在媒體竭盡溢美之詞的同時,,芯片商,、通信設(shè)備商以及電信運營商無一例外開始傾其所有布局下一代通信技術(shù),,目的就是搶占話語權(quán)。
對于數(shù)消費者而言,,5G的價值在于它擁有比4g LTE更快的速度(峰值速率可達幾十Gbps),,例如你可以在一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影,而4G LTE可能要10分鐘,。也正是因為這一得天獨厚的優(yōu)勢,,業(yè)界普遍認為5G將在無人駕駛汽車、VR以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,。
和4G相比,,5G的提升是全方位的,按照3GPP的定義,,5G具備高性能,、低延遲與高容量特性,而這些優(yōu)點主要體現(xiàn)在毫米波,、小基站,、Massive MIMO、全雙工以及波束成形這五大技術(shù)上,。
毫米波
眾所周知,,隨著連接到無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量的增加,頻譜資源稀缺的問題日漸突出,。至少就現(xiàn)在而言,,我們還只能在極其狹窄的頻譜上共享有限的帶寬,這極大的影響了用戶的體驗,。
那么5G提供的幾十個Gbps峰值速度如何實現(xiàn)呢,?
眾所周知,無線傳輸增加傳輸速率一般有兩種方法,,一是增加頻譜利用率,,二是增加頻譜帶寬。5G使用毫米波(26.5~300GHz)就是通過第二種方法來提升速率,以28GHz頻段為例,,其可用頻譜帶寬達到了1GHz,,而60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則為2GHz。
在移動通信的歷史上,,這是首次開啟新的頻帶資源,。在此之前,毫米波只在衛(wèi)星和雷達系統(tǒng)上被應用,,但現(xiàn)在已經(jīng)有運營商開始使用毫米波在基站之間做測試,。
當然,毫米波最大的缺點就是穿透力差,、衰減大,,因此要讓毫米波頻段下的5G通信在高樓林立的環(huán)境下傳輸并不容易,而小基站將解決這一問題,。
小基站
上文提到毫米波的穿透力差并且在空氣中的衰減很大,,但因為毫米波的頻率很高,波長很短,,這就意味著其天線尺寸可以做得很小,這是部署小基站的基礎(chǔ),。
可以預見的是,,未來5G移動通信將不再依賴大型基站的布建架構(gòu),大量的小型基站將成為新的趨勢,,它可以覆蓋大基站無法觸及的末梢通信,。
因為體積的大幅縮小,我們設(shè)置可以在250米左右部署一個小基站,,這樣排列下來,,運營商可以在每個城市中部署數(shù)千個小基站以形成密集網(wǎng)絡(luò),每個基站可以從其它基站接收信號并向任何位置的用戶發(fā)送數(shù)據(jù),。當然,,你大可不必擔心功耗問題,雷鋒網(wǎng)之前曾報道過:小基站不僅在規(guī)模上要遠遠小于大基站,,功耗上也大大縮小了,。
除了通過毫米波廣播之外,5G基站還將擁有比現(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站多得多的天線,,也就是Massive MIMO技術(shù),。
Massive MIMO
現(xiàn)有的4G基站只有十幾根天線,但5G基站可以支持上百根天線,,這些天線可以通過Massive MIMO技術(shù)形成大規(guī)模天線陣列,,這就意味著基站可以同時從更多用戶發(fā)送和接收信號,從而將移動網(wǎng)絡(luò)的容量提升數(shù)十倍倍或更大。
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)的意思是多輸入多輸出,,實際上這種技術(shù)已經(jīng)在一些4G基站上得到了應用,。 但到目前為止,Massive MIMO僅在實驗室和幾個現(xiàn)場試驗中進行了測試,。
隆德大學教授Ove Edfors曾指出,,“Massive MIMO開啟了無線通訊的新方向——當傳統(tǒng)系統(tǒng)使用時域或頻域為不同用戶之間實現(xiàn)資源共享時,Massive MIMO則導入了空間域(spatial domain)的途徑,,其方式是在基地臺采用大量的天線以及為其進行同步處理,,如此則可同時在頻譜效益與能源效率方面取得幾十倍的增益?!?/p>
毋庸置疑,,Massive MIMO是5G能否實現(xiàn)商用的關(guān)鍵技術(shù),但是多天線也勢必會帶來更多的干擾,,而波束成形就是解決這一問題的關(guān)鍵,。
波束成形
Massive MIMO的主要挑戰(zhàn)是減少干擾,但正是因為Massive MIMO技術(shù)每個天線陣列集成了更多的天線,,如果能有效地控制這些天線,,讓它發(fā)出的每個電磁波的空間互相抵消或者增強,就可以形成一個很窄的波束,,而不是全向發(fā)射,,有限的能量都集中在特定方向上進行傳輸,不僅傳輸距離更遠了,,而且還避免了信號的干擾,,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)。
這一技術(shù)的優(yōu)勢不僅如此,,它可以提升頻譜利用率,,通過這一技術(shù)我們可以同時從多個天線發(fā)送更多信息;在大規(guī)模天線基站,,我們甚至可以通過信號處理算法來計算出信號的傳輸?shù)淖罴崖窂?,并且最終移動終端的位置。因此,,波束成形可以解決毫米波信號被障礙物阻擋以及遠距離衰減的問題,。
除此之外,雷鋒網(wǎng)(公眾號:雷鋒網(wǎng))最后要提到5G的另一大特色——全雙工技術(shù),。
全雙工
全雙工技術(shù)是指設(shè)備的發(fā)射機和接收機占用相同的頻率資源同時進行工作,,使得通信兩端在上、下行可以在相同時間使用相同的頻率,,突破了現(xiàn)有的頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)模式,,這是通信節(jié)點實現(xiàn)雙向通信的關(guān)鍵之一,,也是5G所需的高吞吐量和低延遲的關(guān)鍵技術(shù)。
在同一信道上同時接收和發(fā)送,,這無疑大大提升了頻譜效率,。但是5G要使用這一顛覆性技術(shù)也面臨著不小的挑戰(zhàn),根據(jù)《移動通信》之前發(fā)布的資料顯示,,主要有一下三大挑戰(zhàn):
1.電路板件設(shè)計,,自干擾消除電路需滿足寬頻(大于100MHZ)和多MIMO(多于32天線)的條件,且要求尺寸小,、功耗低以及成本不能太高,。
2.物理層、MAC層的優(yōu)化設(shè)計問題,,比如編碼,、調(diào)制、同步,、檢測,、偵聽、沖突避免,、ACK等,,尤其是針對MIMO的物理層優(yōu)化。
3.對全雙工和半雙工之間動態(tài)切換的控制面優(yōu)化,,以及對現(xiàn)有幀結(jié)構(gòu)和控制信令的優(yōu)化問題,。
因此,雷鋒網(wǎng)想說的是,,盡管5G的勢頭遠遠超過了之前的4G,但5G的未來仍充滿了不確定性,,現(xiàn)在我們需要等待的是這些技術(shù)從實驗階段走向?qū)嵱谩?/p>