不少人應該有過這樣的經歷,拿着好不容易搶到的愛豆演唱會的門票去看演唱會,想要在社交網絡上分享一段現場視頻,卻收到視頻發送失敗的提示。此時更讓人懊惱的是,你旁邊的朋友成功發出了視頻。都是同一家電信運營商網絡,信號也顯示滿格,為什麼別人能發出消息我卻不行?因為大家都在搶流量啊。                                       

5G能解決演唱會上網問題?

明明信號滿格視頻卻發不出去,為什麼?首先需要明確,手機信號欄上顯示的是你的手機與通信基站的距離而非手機信號的強度。因此,信號欄的信號即便顯示滿格,在大型演唱會現場,複雜的環境和眾多的干擾會讓手機與基站的信號傳輸受到不小的影響。

但為何還有人能正常上網?這就涉及到速度和帶寬。無線通信需要藉助手機和基站之間電磁波的發射和接收再藉助有線傳輸進行信息交換實現聯網,其中手機與基站間的數據傳輸需要在特定的無線頻段上進行,相當於很多汽車通行於一條道路上。馬路上車越多,速度自然越慢,甚至可能堵得走不動。怎麼辦?多修路啊。不僅可以多修幾條路,即使在同一條路上也可以將雙車道擴成四車道甚至八車道。相對應地,要提高移動網絡的速度,最簡單的方法之一就是增加傳輸帶寬。

從1G到4G,無線通信的傳輸速率不斷提升,其中的關鍵之一在於帶寬的不斷增加。LTE(4G)的一個載波最少是20MHz的帶寬,WCDMA和HSPA+是5MHz,GSM(2G)是200KHz。所以移動通信從最初1G的語音時代,到2G的文字時代,接下來是3G的圖片時代再到4G的視頻時代,移動通信在速率的提升下體驗和應用也有了極大的提升。

移動通信技術的演進

但是,4G仍無法滿足像演唱會、大型體育賽事等人口密集場景的需求。由於4G的傳輸速率和傳輸帶寬有限,儘管運營商們運用各種方法進行優化提升網絡效率,比如信號復用,但同一時間向基站發送請求的用戶如果過多,大大超過4G網絡帶寬的承載能力,就會出現網速變慢甚至斷流的現象。

用一個形象的比喻來解釋,景區的一座橋按最多可同時承載100人設計和建造,平日遊客暢行,但到了節假日遊客暴增,景區管理人員雖努力管控,橋上還是湧上了500甚至1000人,這時橋的通行速度不僅會下降,還有斷橋的風險。

所以,在用戶密集的場所,如果同一時間用戶向基站發送的數據過多,基站處於滿載情況就會出現數據處理延遲或者接收新的數據失敗的情況,再加上複雜環境增加的干擾因素(如其它設備的電磁信號),手機網絡自然會出現延遲甚至失敗。這也能解釋了為何人口密集區域4G體驗不佳,並且,位置相近的人相近時間的上網體驗也會有差別。

想要解決這一問題,進一步提升4G網絡的速率是最簡單有效的辦法,千兆LTE已經到來。不過,單個載波達到100MHz帶寬,能夠實現更多連接和更高穩定性的5G也許更令人期待。尤其是5G毫米波頻段的加入,有望給手機用戶體驗帶來又一次質的飛躍。

實現5G超高速體驗的關鍵技術——毫米波

所謂毫米波,就是波長為1-10毫米的電磁波。那5G為什麼需要毫米波?前面已經提到,無線通信需要藉助電磁波進行傳輸,不過電磁波頻率資源有限,並且無線通信還有船用通信、越洋通信、衛星通信、飛行體通信等等用途,為了避免干擾和衝突,需要給不同的應用分配不同的頻率。

僅看移動通信, 2G、3G、4G使用的都是6GHz以下的頻率,但使用的電波頻率卻越來越高。這主要是因為,頻率越高能使用的頻率資源越豐富,能實現的傳輸速率就越高。用個形象的類比來解釋,頻率資源就像車廂,帶寬更大,相同時間內能裝載的信息就越多。

更高的頻率更快的速度

發展到第五代移動通信技術,6GHz以下的頻率大部分已經被佔用,留給5G的低頻頻率已經不多,想要重耕這些頻率也需要時間。另外,更高的頻率意味着更高的速率,符合移動通信發展的需求,因此5G的頻率除了需要6GHz以下頻段保障網絡的覆蓋,還需要24GHz以上的頻率來提供超高速率和更多應用。

目前5G在24GHz以上的頻率,國際上主要使用28GHz進行試驗,使用光速=波長*頻率的公式計算,28GHz頻率的波長約為10.7mm,也就是毫米波。

毫米波作為5G區別於2G-4G的技術特點,能夠在很大程度上提高傳輸速率,達到5Gbps、10Gbps甚至更高的水平,同時擁有更大的帶寬。另外,一般而言天線長度與波長成正比,基本上天線是波長的四分之一或二分之一是最優,因此毫米波更短的波長也讓天線變得更短。

具備更高的速率、更大的帶寬特性,還能帶來更多的應用場景,毫米波這麼好,為什麼此前一直沒有被移動通信使用?這是由於電磁波的顯著特性是頻率越高、波長越短,越趨近於直線傳播(繞射能力越差)。頻率越高,頻譜能量也越容易衰弱,無法傳播很遠。不懂什麼是繞射或者能力衰弱的朋友也不用放棄,你只要記住,毫米波的信號容易被樓宇、人體甚至是雨滴所阻擋。舉個直觀的例子,衛星通信和GPS導航(波長1cm左右),在室內、被樹木遮擋或者下雨天信號就會較弱或者沒信號。因此,毫米波最大問題在於,它的信號很難傳得遠,也就是說單個基站能覆蓋到的用戶數量可能遠比不上中低頻基站。

與毫米波相伴的Massive MIMO和波束成形

即便挑戰眾多,但毫米波也具有實現5G更高速率的優勢,所以如何解決毫米波帶來的挑戰成為關鍵。5G使用24Ghz以上的高頻段會帶來傳輸距離大幅縮短、網絡覆蓋能力大幅降低的問題。在覆蓋相同面積的區域時,5G毫米波需要的基站數量將遠超4G,不過確切的說是需要更多小基站。

基站可以分為兩種,宏基站和小基站。此前移動通信都是以宏基站為主,4G時代也已經有不少小基站,尤其是在城區和室內,到了5G時代,我們可以利用數量眾多的小基站實現毫米波的部署。

宏基站與小基站的覆蓋範圍

小基站是實現毫米波的關鍵要點之一。要點之二是天線上的Massive MIMO技術(大規模MIMO)。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)可譯為多輸入多輸出,也就是多根天線的發送和接收。MIMO並不是一項全新技術,在LTE(4G)時代就已經在使用了。通過更高階的MIMO技術,結合載波聚合和高階調製,業界已經可以讓LTE達到千兆級(1Gbps及以上)速度,達到初期LTE速度的十倍。

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)

5G時代,MIMO技術進一步加強為Massive MIMO(大規模多天線技術)。前面提到天線長度與波長成正比,因此波長更短的毫米波可以讓天線變得更短。天線變小了,我們就可以在基站和手機都塞進更多天線,甚至出現了所謂的天線陣列,將一根一根的天線變成一個統一的天線系統。

說到天線陣列,我們接著說說實現毫米波的關鍵要點之三——波束成形。毫米波傳輸最大的問題在於它的信號很難傳得遠。如果非要傳得遠,就需要加大發射的能量,意味着更費電。在人人都是電量焦慮星人的今天,有沒有辦法能節省能量呢?科學家們說,讓我們將全向發射變為定向發射。

我們知道,今天基站發射的信號是全向,考慮到用戶不可能遍佈於基站周圍的360度,其中有不少能量和資源就會被浪費。在毫米波時代,天線陣列可以通過對射頻信號相位的控制,使得經過相互作用的無線電波變得非常狹窄,直直地指向它所提供服務的手機,這就是所謂的波束成形。更重要的是,這道窄窄的電波還可以跟據手機的移動持續轉變方向,甚至在信號受到阻擋的情況下自動切換到另一個電波上,從而保持手機信號的連續不間斷。

基站天線

這種空間復用技術,由全向的信號覆蓋變為了精準指向性服務,波束之間不會幹擾,在相同的空間中提供更多的通信鏈路,極大地提高基站的服務容量。

利用小基站、Massive MIMO和波束成形等技術,毫米波終於在移動通信中擁有了名字。但在大眾消費者都能享用5G毫米波帶來的好處之前,還有一個問題行業必須解決——如何把複雜的毫米波技術放到巴掌大小的5G手機之上?

目前,全球範圍內手機端毫米波和多天線解決方案的領導者無疑是高通。早在2015年,高通就成功進行了首次毫米波技術演示,通過智能波束成形和波束追蹤技術實現穩健的毫米波移動性。此後高通持續推動毫米波技術用於5G移動通信,並充分利用毫米波可以顯著降低天線尺寸的特性,設計出滿足手機需求的多個天線並形成陣列,從而支持波束成形技術。不過手機的位置也會不斷移動,因此不僅要形成波束,還要能控制波束追蹤接收方的位置變化,一直保持在最佳的傳輸位置。

顯然,和2G/3G天線的全向發射相比,毫米波讓5G手機天線的難度增加了很多,需要整個射頻鏈路上從調製解調器到收發器、放大器再到天線的所有器件協同工作,做到更加智能。為了讓手機廠商能夠更簡單、更低成本地推出支持毫米波的5G手機,高通還在2018年7月份發佈了全球首款面向移動終端的毫米波5G天線模塊QTM052,包含了從收發器到所有射頻前端的器件,還有電源管理IC以及天線本身,覆蓋第一批會投入商用的5G毫米波頻譜。

還有值得一提的是,要在如今非常輕薄的智能手機的有限空間內提供良好的天線性能已經很困難,如果還要考慮用戶使用過程中頭部或手部對信號的遮擋以及環境的干擾,手機毫米波天線的性能面臨的挑戰更大。

全球首款面向移動終端的毫米波5G天線模塊QTM052

高通憑藉其深厚的積累以及對行業需求的深刻了解,其5G毫米波天線模組QTM052很好地解決了與毫米波相關的傳輸、範圍和尺寸挑戰。具體而言,QTM052實現雙向移動毫米波通信的波束賦形,波束控制和波束跟蹤,可大幅改善毫米波信號的範圍和覆蓋率,並且尺寸非常小巧,在空間和成本允許的情況下,可以在手機的4個邊立面上配備4個毫米波天線模組,配合高通同樣率先推出的5G調製解調器芯片驍龍X50,可以確保使用者無論如何握住手機,信號也不會被阻擋。

基於首款毫米波天線模組,高通2019年又推出最新一代的高通QTM525 5G毫米波天線模組,通過降低模組高度可支持厚度不到8毫米的纖薄5G智能手機設計。在上一代產品已支持的n257(28GHz)、n260(39GHz)與n261(美國28GHz)頻段的基礎之上,新模組針對北美、歐洲和澳大利亞還增加了對n258(26GHz)頻段的支持。

高通第二代5G調製解調器驍龍X55與QTM525毫米波射頻模組配合

QTM525是高通在MWC2019前夕配合其第二代5G調製解調器驍龍X55同期發佈的5G毫米波射頻模組。此外高通也有針對6GHz以下的天線模組產品,如全球首款宣布的5G 100MHz包絡追蹤解決方案QET6100、集成式5G/4G功率放大器(PA)和分集模組系列,以及QAT3555 5G自適應天線調諧解決方案。

支持毫米波的5G手機何時到來?

既然5G毫米波的挑戰已經在很大程度上得到解決,那麼結合5G毫米波和6GHz以下頻段的5G網絡體驗如何?毋庸置疑,高用戶密度環境下的上網問題無疑會得到極大程度的改善,演唱會和體育賽事現場不僅能輕鬆上網,還能進行高清直播。

另外,5G一個重要的特點是能拓展到手機之外的應用,包括VR、AR、自動駕駛、工業物聯網、無線醫療等場景,5G與這些場景的結合也正在加速落地。

5G連接及應用場景,圖片來自infineon

MWC 2019上,高通拓展其5G測試網絡,納入面向毫米波頻段和6 GHz以下頻段的全新端到端OTA配置。新的5G測試網絡位於加利福尼亞州聖迭戈市和新澤西州布里奇沃特市的高通研發中心。

高通展示5G NR室內毫米波OTA網絡

在展會現場,雷鋒網也看到了新的5G測試網絡的演示。在位於加利福尼亞州聖迭戈市的5G NR戶外毫米波OTA網絡,28GHz網絡演示了毫米波在不同現實工作場景中的移動性、魯棒性和性能。

另外,在位於新澤西州布里奇沃特市的5G NR室內毫米波OTA網絡,針對室內場館和企業部署,毫米波為智能手機、筆記本電腦和其他終端帶來大容量、數千兆比特的傳輸速率和低時延的連接。28 GHz網絡在預期部署場景中演示了室內封閉辦公環境下的毫米波覆蓋和用戶體驗。

可以看到, 5G NR毫米波的優勢在企業私有網絡和高密度的場館兩個場景非常明顯。

基於上面提到的測試網絡,高通可以先於標準化對3GPP Release 16+的新設計進行驗證,完善5G算法和技術以進一步改善性能,試並演示新興邊緣計算功能,例如低時延擴展現實(XR),並對尚未部署的5G功能進行演示。

由此,我們可以期待5G將給我們生活帶來的改變。不過需要注意的是,雖然採用高通毫米波天線模組搭配驍龍X50調製解調器的的5G手機已經推出。但是各個國家和地區考慮到歷史情況和頻譜資源情況,在毫米波和6GHz以下頻譜部署的部署規劃上有所差別,比如北美會先在毫米波頻段進行5G部署,中國會先在6GHz以下進行5G部署,日韓可能兩種頻段都會部署。

由此看來,距離國內用戶體驗到5G毫米波網絡並拿到支持5G毫米波手機還需要一段時間。不過從監管機構的最新進展看,在2019年2月工信部無線電管理局發佈《2019年全國無線電管理工作要點》中,特別提到要適時發佈5G系統部分毫米波頻段頻率使用規劃,引導5G系統毫米波產業發展。相信在行業各方的共同支持下,中國進行基於毫米波頻段的5G部署指日可待。

待到那個時候,別忘了使用支持毫米波頻譜的5G手機在愛豆的演唱會感受高速網絡帶來的分享視頻的快樂。雷鋒網雷鋒網

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