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【5G】

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发表于 2016-11-11 15:37:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
5G到底什么时候来,以及,它究竟能给我们带来什么?中国好4G 06月07日 11:44



我国5G推进组6月1日在第一届全球5G大会上正式发布了《5G网络架构设计》白皮书,这意味着我国从5G概念的研究已经进入实质推进阶段??5G真的要来了。然而关于5G的几个问题却未必能搞清楚,本文将会来谈谈

我国5G推进组6月1日在第一届全球5G大会上正式发布了《5G网络架构设计》白皮书,这体现了我国5G网络技术研究的最新成果,这意味着我国从5G概念的研究已经进入实质推进阶段??5G真的要来了。然而关于5G的几个问题却未必能搞清楚,本文将会来谈谈。

| 5G是什么?

在3G、4G和5G等名词中,G是英文单词“generation”(第x代)的缩写。因此,5G就是第五代移动通信技术。

在移动通信领域:

第一代是模拟技术;

第二代实现了数字化语音通信;

第三代是人们熟知的3g技术,以多媒体通信为特征;

第四代是正在铺开的4g技术,其通信速率大大提高,标志着进入无线宽带时代。

简单来看,5G的速度将会更快,而功耗将低于4G,从而带来一系列新的无线产品。中移动副总裁李正茂曾经发言要求5G时代的电信设备大幅度降价:“4G到5G时代,单位比特的传输成本降低了1000倍,那么我们也希望电信设备价格也降低1000倍,成本是决定运营商在数据时代能否盈利的关键。”

| 5G其实并不是全新科技

关于5G的两种不同观点

有一种观点认为,5G将会是全新技术。这个观点的代表者为华为无线网络产品线CMO杨超斌,在他看来,4G再怎么演变也不会变成5G,5G将会是一个全新技术。

5G不只是一次技术的更新,更是非常大的跳跃性发展、是一个变革,这也意味着网络架构必须提升,5G对网路的需求将与4G截然不同;虽然现在使用的4G LTE技术仍会不断演进,但4G再怎么演变也不会成为5G,5G将会是全新技术。

但大多数技术专家更倾向于以下观点:5G就是4G技术的必然演进??既要演进也要革命。

虽然任何一代技术发展,都不可能是上一代技术的重复,如果新一代的技术和上一代技术是一样,那还什么新一代,所以3G技术不同于2G,4G不同于3G,它的技术原理、解决问题的方式、部署的办法,实现的能力都不同,但是没有上一代技术的根基,或者说下一代没有对上一代的技术传承,实现革命性的升级也是空中楼阁。

5G不是横空出世个令人惊异的新技术,5G技术是现有技术的新组合,是4G技术的再演进。

为什么要强调“再”?因为4G LTE的后三个字母就是长期演进的意思,5G应是在4G基础上的再演进。关于技术演进的观点,科学松鼠会会员通信专业教师奥卡姆剃刀有个通俗的双驼峰理论,能很清晰解释5G仅仅是一种技术演进的观点。

奥卡姆剃刀的双驼峰理论

奥卡姆剃刀认为,一项新技术概念出现后,在业界会出现一个研究讨论的高潮,这是第一个驼峰。

相关的学术论文会产为热点,成堆的博士硕士依托这项新技术完成了毕业论文,虽然很热闹,但这仅仅局限在学术研讨层面上,而在具体的技术实现方面还存在着很多问题,或者因成本原因而根本无法量产。

研究讨论高潮逐渐降温,这是第一个驼峰的下落期,接下来是低调务实的技术攻关,这个平台期可能几年也可能一二十年,当技术问题都解决后,就会迎来商家量产和投入市场的热潮,这就是第二个驼峰。

按照国际电信联盟关于2020年的规划,5年后就要全面进入5G了,而到现在核心技术体系还没有确立。回顾3G技术发展史,国际电信联盟于1998年6月30日接收了3G技术提案,并迎来了第一个驼峰期,直到2009年1月7日,工业和信息化部正式发放了三张3G牌照,这才进入到第二个驼峰,平台期持续了11年,特别是三张牌照之一的TD-SCDMA,直到2013年才真正成熟,平台期长达15年,可刚成熟4G时代就来临了。按照“双驼峰规律”,5年后将在全球推广使用的技术,应在2010年左右就迎来第一个驼峰,而不会在2020前的两三年横空出世,然后迅速被国际电信联盟确定为全球的5G标准,这违反了一般的技术发展规律,不太可能成真。

没有3G、4G技术的发展就没有5G

实质上,在5G研究上大部分研发机构选择的道路也是如此,两条腿走路。

5G研发中提出两条腿走路:一方面继续推动基于4G技术的演进,一方面研发5G新技术,两者兼顾。

在5G时代的千倍提速要求面前,通过4G技术的演进,只有通过大幅度的加大带宽才有可能。加大带宽是起点,由此而产生的毫米波、微基站、高阶MIMO、波束赋型等都是顺理成章的技术趋势。5G时代对大规模天线阵列、毫米波技术、新型网络架构、新型空口设计的关键技术核心也大都是基于4G网络技术延伸而来,大都能成倍提升性能。以软空口技术为例,这个技术结合Pre5G的硬件处理能力,让运营商具有了从4G到5G的平滑升级能力,4G到Pre5G这个阶段,终端不用更换,而从Pre5G到5G,基站设备也可以继续使用。

图:毫米波技术下的微基站。

明白了5G就是第五代移动通信技术的基本定义就明白是从3G、4G升级而来,自然也是一种技术的积累和演进,也可以说没有3G、4G技术的发展就没有5G的产生。5G技术的演进一方面是技术积累的必然结果,当然也要求有革命性创新才能实现演进的目标,另一方面也是人类通信需求快速提高的必然要求。

反过来说,之前5G迟迟没普及,一是技术达不到,二是还没有应用的需求出现。现在有了需求,才有了5G。什么需求?未来的网络将会面对:1000倍的数据容量增长,10到100倍的无线设备连接,10到100倍的用户速率需求,10倍长的电池续航时间需求等等。坦白地讲,可能未来五六年4G网络或许将无法满足这些需求,所以5G就必须提前登场。

基于技术演进的判断,回顾我国通过3G和4G时代的艰苦奋斗,我们有理由相信我国的产业和技术的提升也为5G布局打下坚实的基础,我国从以往被动接受技术变为开始输出技术,会有机会发展成为全球5G技术、标准、产业和应用服务的领先国家之一,从跟随到引领,中国通信业有机会在5G时代学习中国高铁实现弯道超车。三大运营商、华为、大唐、中兴等中国企业对5G研发的投入由来已久,并走在世界前列。

| 5G会改变什么?

我先来讲个故事:

清晨醒来,卧室的灯和空调自动开启。小明来到卫生间,洗脸水已自动调至适中的温度,数码牙刷记录并上传小明牙齿以及口腔的实时数据;戴上眼镜,妻子带着孩子正在上学的路上,通过眼镜片上的虚拟现实显示,孩子向小明挥手说早安。小明吃过早餐,眨了几下眼睛,汽车带着小明自动行驶在马路上,小明在车上开启了视频会议……

这个场景描绘熟悉吗?1998~2002年的时候,通信圈这样描绘3G;2005~2012年的时候,通信圈这样描绘4G;今天,这个描绘传承给了5G。未来,还会有6G,7G,8G,估计到9G的时候,我有可能听不到了。因为无法确保能不能活到那时候。

这也是典型代表着通信技术逐步演进的过程,革命性的体验都是逐步实现和完善的。实质上,5G对移动互联网的颠覆也是逐步演进的过程,它还将催生出无数新应用、新模式,产业。时速100公里的汽车,在5G网络条件下从发现障碍到启动制动系统需要移动的距离将缩短到2.8厘米。

五特征:“无与伦比的快”、“人多也不怕”、“什么都能通信”、“最佳体验如影随形”、“超实时、超可靠”。具体提下在用户体验方面的5个典型5G场景:

1、速度

5G将比4G快10到100倍,更快的速度也将提升网络的容量,可以容纳更多的用户在同一时间登录网络。

2、全景视频:移动端也能实现

不少人一定会对体育馆内的巨屏所吸引。但如果你能在游戏或者智能手机中获得同样的实时画面呢?你甚至可以切换镜头,即时重播,高分辨的4K视频会让你耳目一新。

3、自动驾驶汽车:1平方公里内可同时有100万个网络连接

我们目前使用的4G网络,端到端时延的极限是50毫秒左右,还很难实现远程实时控制,但如果在5G时代,端到端的时延只需要1毫秒,足以满足智能交通乃至无人驾驶的要求;现在的4G网络,并不支持这样海量的设备同时连接网络,它只支持数量不多的手机接入,而在5G时代,1平方公里内甚至可以同时有100万个网络连接,它们大多都是各种设备,获知道路环境,提供行车信息,分析实时数据、智能预测路况……通过它们,驾驶员可以不受天气影响地,真正360度无死角地了解自己与周边的车辆状况,遇到危险也可以提前预警,甚至实现无人驾驶。

4、互联网机器人:实时反馈医生指令

对医生而言,机器人在手术方面将大有可为。但是它们需要对医生发出的指令作出实时反馈。在执行复杂的命令时,正在工作的机器人更需要与医生实现无缝“沟通”。

5、虚拟现实:各种体感需要极速网络传输

当你戴上VR头盔后,你便进入了一个虚拟的世界,在这个世界,你可以与他人进行互动,游戏甚至击掌。有了5G,用户之间的相互协作将迎来新的时代。相同物理位置的两人将可以实现相互合作。各种体感功能需要极速网络传输,才能加强虚拟现实,网络天生就是管道。

还记得这个段子吗?去营业厅办卡,问营业员小姑娘“这4g有啥好的?”小姑娘答“大叔,2G可以看仓井空小说,3G可以看仓井空图片,4G可以看仓井空视频。”姑娘你尽说些大叔听不懂的,苍井空是谁啊?你还是快点给我办张4G卡吧!

这个段子实际上在3G时代就开始讲了,电信和联通的3G就可以看苍井空了,希望不要在5G时代还听到这样的段子,因为5G的快可不是看普通视频这么简单。

还可以这么简单理解5G的体验变化??

3G、4G干的都是人事(连接人)不是质变,5G干的不是人事(连接物)才是质变:在4G网络下,云端系统无法传输紧急指示让无人驾驶汽车穿过交通流;4G也达不到在远程会议中提供即时语言翻译的速度,更不必提在救死扶伤的手术之中遥控指挥手术刀??要知道,许多即时无线应用的最大延迟期不得超过1毫秒。

| 5G到底什么时候来?

5G推进加快

第一代移动通信,我国1987年部署,比世界主流晚了8年。

2G,1995年我国开始建设2G网络,较欧洲晚了4年。

2009年,中国第一个3G网络开通,比世界上第一个3G网络开通晚了8年。

2013年中国4G牌照发放,比全球第一个4G网络晚了约3年。

相信5G,中国的网络部署将会和全球同步,甚至是最先部署的国家。要知道当前,5G已经成为各国都在加紧抢占的一块科技高地。在中国的十三五年规划纲要中,已明确要加快信息网络新技术开发应用,积极推进第五代移动通信(5G)和超宽带关键技术研究,启动5G商用。

关于5G的推进在国家发牌节奏上也明显加速:2G火了15年;3G火了6年,也凑合了:2009年中国发放3G牌照,中国移动2013年12月4日获得TD-LTE牌照率先进入4G时代,2015年2月27日,时隔一年多后,工信部公告向中国联通和中国电信颁发FDD LTE模式4G商用牌照,也就是说国家留给4G的时间最长5年而已。

回顾这个过程,其实中国在2015这个时点上发放FDD拍照实际上也是提前为未来5年做的布局,那时国家意识到,如果一味地给中国移动4G保护期,中国将丧失2020年5G的布局,因此通过发放FDD牌照提前将TDD和FDD向5G的演进的限制通道打开,摆脱受制于人的尴尬。只有这样,基于TDD和FDD技术完全演进基础上的5G才会利于中国运营商在未来5G的布局的选择将更加游刃有余,立于不败之地。

5G在中国,已经不再是一个未来时的概念,它已经成为一个进行时的现实。

我国的5G规划步骤如下: 2016年准备启动5G的标准研究,预计在2018年第一个版本的标准将完成,然后根据产品的成熟度,在2020年左右确定商业应用的起步时间。

5G来了,资费会越来越贵吗?

用户最关心的还是资费,5G的到来,是否会加大运营商、设备商的投入成本,进一步增高网络资费呢? 真正5G到来的时候,它不仅仅是价格下降的问题。实际上,你可能花同样的钱能够得到以前十倍以上的服务。比如说你(花同样的钱,以前)只能打100分钟的电话,那么到5G系统,你可能就能打1000分钟的电话了。

真会是这样吗?是! 实质上,通信业每次技术升级无论从2G到3G还是到4G都没有摆脱降价的命运,而且每次都能下降20%,放心吧。

不妨回顾下??

2G靠2个制式(GSM、CDMA)结束了上万块的大哥大豪价,养活移动、宽带、寻呼机、固话四类公司六家运营商;

3G靠三个制式结束了上百块的语音和短信高价,只能养活综合同质化的三家运营商;

5G只能靠一个制式才能进入流量放心用的超低价,只能养活的了综合类两或一个通信运营商。

一句话,通信将越来越“贱”!



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 楼主| 发表于 2016-11-11 15:46:30 | 显示全部楼层
5G关键技术:大规模多天线技术现状及研究点

文章出处:电子技术设计 发布时间: 2015/02/03

    随着无线通信技术的不断发展,高速数据业务以及无处不在接入的需求正呈现出一种爆炸式的增长。根据预测到2020年,业务量将为目前业务量的1000倍,基于此,需要提升宽带无线接入网的能力,适应未来用户业务需求。

    针对宽带无线接入的需求,目前欧盟、中国、日本、美国等均启动了第五代移动通信系统的需求与关键技术研究。从2G/3G到4G,每一代系统的更新,都伴随着新技术的更新,都是为了解决当时最主要的需求。5G(后4G)时代,小区越来越密集,对容量、耗能和业务的需求越来越高。提升网络吞吐量的主要手段包括,提升点到点链路的传输速率、扩展频谱资源、高密度部署的异构网络;对于高速发展的数据流量和用户对带宽的需求,现有4G蜂窝网络的多天线技术(8端口MU-MIMO、CoMP)很难满足需求。最近的研究表明,在基站端采用超大规模天线阵列(比如数百个天线或更多)可以带来很多的性能优势。这种基站采用大规模天线阵列的MU-MIMO被称为大规模天线阵列系统(Large Scale Antenna System,或称为Massive MIMO)。
    本文旨在介绍5G中关键技术之一,Massive MIMO的现状以及在系统仿真中最关注的研究点。

    应用场景
    天线集中配置的Massive MIMO主要应用场景有城区覆盖、无线回传、郊区覆盖、局部热点。其中城区覆盖分为宏覆盖和微覆盖(例如高层写字楼)两种。无线回传主要解决基站之间的数据传输问题,特别是宏站与Small Cell之间的数据传输问题,郊区覆盖主要解决偏远地区的无线传输问题,局部热点主要针对大型赛事、演唱会、商场、露天集会、交通枢纽等用户密度高的区域。
    考虑到天线尺寸、安装等实际问题,分布式天线也有用武之地,重点需要考虑天线之间的协作机制及信令传输问题。大规模天线未来主要应用场景可以从室外宏覆盖、高层覆盖、室内覆盖这三种主要场景划分。

    研究方向
    Massive MIMO,又称为large-scale MIMO。顾名思义,就是在基站端安装几百根天线(128根、256根或者更多),从而实现几百个天线同时发数据。
    在沿用现有的LTE系统MAC+PHY的结构下,Massive MIMO的物理层研究的方向主要包括:基站天线架构设计、基站端预编码、基站端信号检测、基站端信道估计、控制信道性能改进(见表1)。

    天线阵元大幅增加,需要扩展到二维平面/曲面或三维阵列。是全向天线(球形),或者是一个面阵天线(面板型),还是如中国移动所提出的“和”之类的异形状态?同时,由于天线数较多,满足隔离度的天线尺寸可能较大,因此较高频段(>5GHz)的使用也是研究课题之一。
    天线数增多,同时带来了天线外形尺寸的增大,传统以平面波方式进行信道的建模对于近场偏差就会变得较大,合适的信道建模方式也是需要关注的问题之一。
    此外,MIMO所要用的有源天线transever模式,在LTE中已经有所应用。

    随着天线数的增多,Massive MIMO的性能将会趋于平缓,此时可以使用多用户复用(Multi-User MIMO,MU-MIMO)。MU-MIMO技术的核心是预编码。现有的预编码技术主要是:MRT、ZF以及DPC。这些技术中,DPC被认为是最优的,MRT性能最差,ZF居中。寻找合适的预编码算法也非常重要,通常在工程中使用ZF,是否能有复杂度和性能兼备的新的预编码算法是物理层最关键的问题之一。

    与传统的MIMO相比,Massive MIMO的不同之处主要在于,天线趋于很多(无穷)时,信道之间趋于正交。系统的很多性能都只与大尺度相关,与小尺度无关。基站几百根天线的导频设计需要耗费大量时频资源,所以基于导频的信道估计方式不可取。具体的实施方案,包括TDD和FDD两种模式,其中TDD有天然的优势,这是因为随着天线数的增多,CSI-RS的开销增大,而TDD可以利用信道的互易性进行信道估计,不需要导频进行信道估计,TDD的方式是首选;FDD覆盖面广,普及面高,采用较小开销的码本来进行信道系数的估计和反馈也是可以的,信道反馈时可以考虑CS(Compressive Sensing)等算法,所以FDD下的信道检测、估计和反馈也是不可忽视的一部分。

    天线数增多后,业务信道的覆盖通常能满足要求,而控制信道的能力并不会随着天线数增多而增强,因此控制信道的覆盖将会成为系统性能的瓶颈。
    Massive MIMO的MAC研究的方向主要包括:MU-MIMO配对算法、用户调度和资源分配策略。

    Massive MIMO由于天线数较多,多用户之间的信道趋于正交,此时可以使用相同的时频资源对用户进行数据的传输。当使用MU-MIMO时,由于基站侧同时给多个用户发送数据,每个用户能获得的实际发送功率会等比减小,众所周知,功率降低,就会带来性能的损失。那么,判断哪些用户适合配对、怎样配对对系统的性能最优,在Massive MIMO中是非常重要的。

    由于Massive MIMO天线数众多,相隔较远的天线之间的间距较大,为了充分使用天线,以达到提高系统容量的目的,用户分块使用天线,一部分天线给A用户,一部分天线给B用户。这就是用户天线资源的分配策略。

    同时,发送天线可以同时给多个用户发送,也可以只给某一个用户发送,这就是RB资源的分配策略。目前可以采用跟传统资源分配一样的方式进行,此时还需要考虑配对用户重传时的策略。

    此外,Massive MIMO还可以跟其他组网技术相结合,如LTE系统中的CoMP技术等。
    综上所述,在5G中,Massive MIMO是非常关键的技术,其核心问题的解决主要在PHY层和MAC层。Massive MIMO中重要的研究课题环环相扣,我们首先要确定Massive MIMO的天线形态、频段;选择合适的方法进行信道建模以完成后续的研究;合理的预编码设计,快速有效的信道检测与估计;提升控制信道性能;根据场景和应用,选择合适的MU配对算法和天线分块或者分布式的天线分配方法,进行物理资源的调度和资源分配;最终达到提升系统性能的目的。
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 楼主| 发表于 2016-11-11 15:49:58 | 显示全部楼层
5G是什么?作者:奥卡姆 来自:通讯人家园论坛

互联网改变了世界,移动互联网重新塑造了生活,“在家不能没有网络,出门不能忘带手机”已成为很多人的共同感受。人们对动互联网的要求是更高速、更便捷、更强大、更便宜,需求的“更”是没有止境的,这促使着移动互联网技术突飞猛进,技术体制的更新换代也随之越来越快。很多用户刚刚踏入4G的门槛,5G时代很快就要来到了。

  5G该会有什么样的技术?很多专家都有过预测,但能让外行人能看懂的文章一篇都没有,毕竟通信专业的门槛较高,特别是对未来技术的演进问题更难以科普。这篇文章的写法很特别,初中生水平就能看懂,通篇只需要您懂一个公式【光速=频率×波长】。


一、绪论


1、双驼峰规律

一项新技术概念出现后,在业界会出现一个研究讨论的高潮,这是第一个驼峰。相关的学术论文会产为热点,成堆的博士硕士依托这项新技术完成了毕业论文,虽然很热闹,但这仅仅局限在学术研讨层面上,而在具体的技术实现方面还存在着很多问题,或者因成本原因而根本无法量产。

  研究讨论高潮逐渐降温,这是第一个驼峰的下落期,接下来是低调务实的技术攻关,这个平台期可能几年也可能一二十年。当技术问题都解决后,就会迎来商家量产和投入市场的热潮,这就是第二个驼峰。

  按照国际电信联盟关于2020年的规划,5年后就要全面进入5G了,而到现在核心技术体系还没有确立。

  回顾3G技术发展史,国际电信联盟于1998年6月30日接收了3G技术提案,并迎来了第一个驼峰期,直到2009年1月7日,工业和信息化部正式发放了三张3G牌照,这才进入到第二个驼峰,平台期持续了11年,特别是三张牌照之一的TD-SCDMA,直到2013年才真正成熟,平台期长达15年,可刚成熟4G时代就来临了。

  按照“双驼峰规律”,5年后将在全球推广使用的技术,应在2010年左右就迎来第一个驼峰,而不会在2020前的两三年横空出世,然后迅速被国际电信联盟确定为全球的5G标准,这违反了一般的技术发展规律,不太可能成真。

  2、通信技术的极限

  通信技术可以用八个字概括,那就是调制、解调、编码、解码,这些技术发展到现在,已经普遍到了平台期,例如编码的效率已经接近了极限,内部挖潜增效的余地越来越小,有些业界大牛甚至觉得通信已经没啥搞头了,转行去了医疗设备行业,把其扎实的通信功底用在了高精尖医疗电子设备研发方面,以追求更有希望的未来。

  您可能会有疑问:科学技术越来越强,为什么不能把极限突破了呢?其实通信技术的极限并不是技术工艺方面的限制,而是建立在严谨数学基础上的推论,在可以遇见的未来是基本不可能突破的。

  根据技术发展的“双驼峰规律”和通信技术发展的现状,不大可能会在未来几年里横空出世个令人惊异的新技术,5G技术应是现有技术的新组合,是4G技术的再演进。

  为什么要有个“再”字?因为4G LTE的后三个字母就是长期演进的意思,5G应是在4G基础上的再演进。

  二、5G关键技术

  1、增加带宽是关键

  5G最显著的特点是高速,按规划速率会高达10~50Gbps,人均月流量大约有36TB。如此高的速率该靠什么资源来支撑呢?必须要靠更大的带宽!

  带宽用字母B来表示,它就好比是道路宽度,最大速率用C来表示,它就好比是道路的最大车流量。显然易见,4车道的最大车流量是2车道的2倍,8车道的是2车道的4倍,这非常好理解。

  增加车道数是提高最大车流量最直接有效的方法,同样地,提高速率的最直接有效的方法就是增加带宽。我依然记得读研究生时,老师在讲到带宽时掷地有声地说:“你们给我记住:高速就是宽带,宽带就是高速!”


  人们对通信速率要求越来越高,迫使着信道的带宽就越来越宽,几根电话线的带宽不够,那就增加到几百根,几百根不够就换成同轴电缆,电缆带宽不够就换成光纤,有线通信的带宽就是这样一代代地递增着。

  而手机通信使用的是无线信道,那它的带宽是如何增加的呢?核心方法就是采用更高的频段。

  上过初中的都知道【光速=频率×波长】这个公式,知道这个公式就能看懂上面这个表格了,频率与波长成反比,两者之积等于光速,即30万公里/秒。

  请看表格中两个黄色块的数据,数值都是3~30,但单位不同,甚低频段的整个带宽是27kHz,超高频段的整个带宽是27GHz,后者是前者的100万倍!由此可见,频段越高且带宽越大,这点非常好理解,好比是低保户和大富豪都拿出全部的财产,后者会比前者多得多。

  所以关系就来了:5G时代若想更高速,就得使用更大的带宽,而要取得更大的带宽,就得使用更高的频段。4G之前使用是特高频段,5G就得往超高频甚至更高的频段发展了。根据国际电信联盟的专家预测,将来有可能使用30GHz~60GHz的频段,俄罗斯专家甚至提出了80GHz的方案。

  30GHz以上的频段,比上表中最后一项的超高频还要高,其波长自然要比厘米段更短,那就是更短的毫米波,因此毫米波就顺理成章地成为了5G的一项关键技术。

  2、毫米波技术

  电波传播的特性很有趣,频率越高(即波长越短)的电磁波,就越倾向于直线传播,当高到红外线和可见光以上时,就一点也不打弯了,这是个渐进的过程。

  毫米波一般不用于移动通信领域,原因就是它的频率都快接近红外线了,信道太“直”,移动起来不容易对准。请想象一个场景,您拿着激光笔指远处墙壁上的图钉,是不是一件很困难的事?

  例如卫星车就很难“动中通”,开动起来车身摇摆,天线(就是那个大锅)就很难对准卫星,通常只能驻车后工作,而且必须精细调整天线的角度,使其电波的辐射方向正对着卫星,否则就无法通信。

  手机是移动使用的,不可能打电话时还举着手机瞄准准基站的方向,那样实在是反人性。虽然在非正对方向也有信号,但强度会明显衰弱,使用体验会比4G之前要差得多。

  电磁波有五种传播模式,相对于未来的5G时代,我们现在手机的频率要低得多,其绕射能力还是不错的,楼房阴影处的信号也没太大问题,因为信号可以绕着到达。

  而未来5G的频率会高得多,绕射能力会下降,信号只能傻楞楞地直着走,以往信号能到达的犄角旮旯就到不了了,那该怎么办呢?这就引出了更一项技术?微基站技术。

  3、微基站技术

  请您脑补一个场景,小区中心只立着一盏路灯,阴影面积当然会很大,而如果在小区里均匀设置很多路灯,阴影面积则会小得多了。所以说,将传统的宏基站变成站点更多密度更大的微基站,是解决毫米波“直线问题”的有效方法。

  这只是微基站的一个原由,还有一个更强大的原由。5G时代的入网设备数量会呈爆炸性的增长,单位面积内的入网设备可能会增至千倍,若延续以往的宏基站覆盖模式,即使基站的带宽再大也无力支撑。

  这个原由很好理解,以前的宏基站覆盖1000个上网用户,这些用户均分这个基站的速率资源,而进入5G时代后用户的速率要求高多了,一个基站的资源就远远不够分了,只能布设更多的基站,例如让每个基站只负责20个用户,分餐的人少了,每个人自然就能多吃。

  基站微型化则设布设密度会加大。为避免基站之间的频谱互扰,基站的辐射功率谱就会降低,同时手机的辐射功率也会降低。这有两个好外,一是功耗小了待机时间会增加,二是对人体的辐射会降低。传统基站好比是房屋中间的火炉子,近处烫远处冷,而5G的微基站就好比是地暖,发热均匀更加舒适。

  微基站数量大幅度增加后,传统的铁塔和楼顶架设方式将会扩展,路灯杆、广告灯箱、楼宇内部的天花板,都会是微基站架设的理想地点。

  波长缩短到毫米波还会有什么影响呢?还会影响到手机天线的变化,这就是下一节要说的5G另一项技术?高阶MIMO。

  4、高阶MIMO

  根据天线理论,天线长度应与波长成正比,大约在1/10~1/4之间,当前手机使用的是甚高频段(即分米波),天线长线大约在几厘米左右,通常安装在手机壳内的上部。

  天线的长度为什么应在波长的1/10~1/4之间?因为这个比例可使电波的辐射和接收更有效,为什么会更有效?这我就不知道了,这得问物理学家。

  5G时代的手机频率在提升几十倍后,相应的手线天线长度也会降低到以前的几十分之一,会变成毫米级的微型天线,手机里就可以布设很多个天线,乃至形成多天线阵列。

  多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上,手机的面积很小。现在的手机天线是几厘米长,多天线阵列是难以设置的。而随着天线长度的降低,特别是5G时代的毫米尺寸天线,就可以布设多天线阵列了,就给高阶MIMO技术的实现带来了可能。

  啥是MIMO呢?其英文简写是“多入多出”的意思,高阶MIMO的意思是指基站与手机之间有很多对的信道并行通信,每一对天线都独立传送一路信息,经汇集后可成倍提高速率,这当然是件极好的事。

  不知您是否思考过这个问题:因为基站不知道您在哪个方位,所以它跟你通信使用的电磁波是全向辐射的,就好像是电灯泡发出的光那样,只有到达你手机的辐射才是有用的,其它方向的辐射都是浪费的,这种巨大的无用辐射还成为了其它手机的干扰。

  如上图所示,因为手电筒的能量更集中,所以比灯泡照的更远,基站与某部手机的关系就相当于光源与被照射物的关系。

  现在基站与手机的关系就是灯泡模式,不管手机在哪个方位,都会把针对这部手机的信号进行全向的辐射,当然绝大多数非正对方向的能量都是浪费掉了,而且还成为了其它手机的干扰。

  能不能把灯泡模式改成有指向性的手电筒模式呢?即把上图左面的全向辐射样式改成右面的这种窄波瓣样式,从而提高能量的使用效率?这就是下节要说到的波束赋形技术。

  5、波束赋形技术

  中国主导的3G国际标准TD-SCDMA有六大技术特点,其中有一项就是智能天线,在基站上布设天线阵列,通过对射频信号相位的控制,使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄,并指向它所提供服务的手机,而且能跟据手机的移动而转变方向。

  由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务,这种新形式的无线电波束就不会干扰到其它方向的波束,从而可以在相同的空间中提供更多的通信链路。这种充分利用空间的无线电波束技术是一种空间复用技术,可以极大地提高基站的服务容量。

  遗憾的是这项技术没有在3G时代得到应用,但在5G入网设备数量成百上千倍增加的情况下,这种波束赋形技术所能带来的容量增加就显得非常有价值,波束赋形技术很可能成为5G的关键性技术之一。

  波束赋形技术不仅能大幅度增加容量,还可大幅度提高基站定位精度。当前的手机基站定位的精度很粗劣,这是源于基站全向辐射的模式。当波束赋型技术成功应用后,基站对手机的辐射波瓣是很窄的,这就知道了手机相对于基站的方向角,再加上通过接收功率大小推导出手机与基站的距离,就可以实现手机的精准定位了,并因此而扩展出非常多的定位增值服务。

  6、综合分析

  任何更新换代的关键性技术,都必须是经历过多年研究的成熟技术,按规划还有5年就要进入5G时代了,不太可能突然出现一个全新的技术并被吸纳为5G的国际标准中,考察5G的技术发展脉络还得从成熟技术中寻找答案。

  在传统的宏基站大覆盖的情况下提速是非常困难的,20%的频谱利用率的提升都是了不起的成就,而在5G时代的千倍提速要求面前,这种内部挖潜的方法是行不通的,只有通过大幅度的加大带宽才有可能。

  加大带宽是起点,由此而产生的毫米波、微基站、高阶MIMO、波束赋型等都是顺理成章的技术趋势。只要把基站做得足够小,其服务范围变窄了,单个用户获得的资源就能足够大,速度就可以提高到足够快。

  所以说,5G的任何一项关键技术都不会有革命性的突破,其上千倍综合能力的提升,更多地是来自移动网络的重新布局。

  三、后记

  这篇5G科普您一定能看懂,而且还能理解一环扣一环的5大技术的原由,甚至觉得这是理所应当的。其实,这种易读性并不容易做到,尤其是技术门槛很高的通信专业,能让外行越容易理解的文章,就越能体现作者的功力,这还真不是王婆卖瓜,而是一个在教育界有共识的道理。

  真正的道理都不繁琐,往往就是一句话的事,难就难在把这句话提炼出来让更多的人理解。我写过不少科普,现在看来对这篇是最满意的,因为这篇讲的不是“是什么”,而是“为什么”,是什么好讲,为什么难说,尤其是把“为什么”给外行人讲清楚,做到让他们理所应当式的理解。这篇文章的内容次序和写法上进行了反复斟酌并屡次重写。



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