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5G技术通俗讲解

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呢?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,这种技术可以极大地提高基站的服务容量。


遗憾的是这项技术并非在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。而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。


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