5G通訊關(guān)鍵技術(shù)——毫米波解析

第五代移動通信系統(tǒng) (5th generation mobile networks,簡稱5G)離正式商用(2020年)越來越接近,這些日子華為、三星等各大廠商也紛紛發(fā)布了自己的解決方案,可謂“八仙過海,各顯神通”。

 5G的一個關(guān)鍵指標(biāo)是傳輸速率:按照通信行業(yè)的預(yù)期,5G應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)比4G快十倍以上的傳輸速率,即5G的傳輸速率可實現(xiàn)1Gb/s。這就意味著用5G傳輸一部1GB大小的高清電影僅僅需要10秒!另外如此高的傳輸速度也會帶來一些其他的應(yīng)用,比如云端游戲(游戲在云端服務(wù)器執(zhí)行,直把執(zhí)行畫面?zhèn)骰厥謾C,這樣手機配置不高也能玩大型游戲),虛擬現(xiàn)實(同理把運算放到云端,手機端只負(fù)責(zé)輸出畫面)等等。

 5G如何實現(xiàn)如此高的傳輸速率呢?

 無線傳輸增加傳輸速率大體上有兩種方法,其一是增加頻譜利用率,其二是增加頻譜帶寬。在無線傳輸中,數(shù)據(jù)以碼元(symbol)的形式傳送。在碼元傳送速率(碼率)不變的情況下,信號占用的無線帶寬不變,而每個碼元傳送的信息數(shù)據(jù)量是由調(diào)制方式?jīng)Q定的。

 調(diào)制方式是指如何用信號傳遞信息。

 在古代,人們用烽火臺傳遞信息,有情況的時候點燃烽火,每有情況的時候熄滅烽火。從現(xiàn)代通訊理論來說,就是我們調(diào)制了烽火。由于普通的烽火一共只有兩種狀態(tài)(點燃和熄滅),因此烽火臺一次只能傳遞1比特的信息(0=熄滅=沒有敵人,1=點燃=有敵人)。烽火臺能不能改善一下來一次傳遞更多信息呢?我們可以通過引入更多狀態(tài)來實現(xiàn)這一點。例如,改進(jìn)的烽火臺里面我們可以控制烽火的火勢,將火勢分為熄滅、小火、中火和大火四種狀態(tài),這樣我們就可以一次傳遞兩比特的信息(00=熄滅=沒有敵人,01=小火=有敵人且離我們很遠(yuǎn),10=中火=有敵人且離我們不遠(yuǎn),11=大火=有敵人且已經(jīng)兵臨城下)。

 然而,不能兩全其美的是,引入更多狀態(tài)的同時也會增加信息傳遞出錯的可能。如果天氣不好的時候可能會把中火看成小火,這樣信息的傳遞就出錯了。相對地,如果只有兩種狀態(tài)(熄滅和點燃),則出錯的幾率比較小。

 無線通訊中的調(diào)制也是這個道理,通過操縱無線電波的幅度和相位可以產(chǎn)生載波的不同狀態(tài)。當(dāng)調(diào)制方式由簡單變到復(fù)雜時,載波狀態(tài)數(shù)量增加,一個碼元所代表的信息量(比特數(shù))也增加。

 但另一方面每個碼元狀態(tài)之間的間距也變小,因此容易受到噪聲干擾使得碼元偏離原本應(yīng)該在的位置從而造成解碼出錯。所以復(fù)雜調(diào)制對信道的要求比較高,在信道噪聲很大的情況下使用復(fù)雜調(diào)制會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率很高,而且解碼所需要的電路也會非常復(fù)雜,導(dǎo)致功耗很大。

 由簡單(左)到復(fù)雜(右)調(diào)制的狀態(tài)圖

 相對于提高頻譜利用率,增加頻譜帶寬的方法顯得更簡單直接。在頻譜利用率不變的情況下,可用帶寬翻倍則可以實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率也翻倍。但問題是,現(xiàn)在常用的5GHz以下的頻段已經(jīng)非常擁擠,到哪里去找新的頻譜資源呢?各大廠商不約而同想到的方法就是使用毫米波技術(shù)。

毫米波是什么?毫米波的特點?

 毫米波是指波長在毫米數(shù)量級的電磁波,其頻率大約在30GHz~300GHz之間。

 根據(jù)通信原理,無線通信的最大信號帶寬大約是載波頻率的5%左右,因此載波頻率越高,可實現(xiàn)的信號帶寬也越大。在毫米波頻段中,28GHz頻段和60GHz頻段是最有希望使用在5G的兩個頻段。28GHz頻段的可用頻譜帶寬可達(dá)1GHz,而60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則到了2GHz(整個9GHz的可用頻譜分成了四個信道)。

 相比而言,4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下,而可用頻譜帶寬只有100MHz。因此,如果使用毫米波頻段,頻譜帶寬輕輕松松就翻了10倍,傳輸速率也可得到巨大提升。5G時代,我們可以使用毫米波頻段輕輕松松用手機5G在線看藍(lán)光品質(zhì)的電影,只要你不怕流量用完!

 各個頻段可用頻譜帶寬比較

 毫米波頻段的另一個特性是在空氣中衰減較大,且繞射能力較弱。換句話說,用毫米波實現(xiàn)信號穿墻基本是不可能。但是,毫米波在空氣中傳輸衰減大也可以被我們所利用,所謂”It‘s not a bug,it’s a feature!”:你手機使用的毫米波信號衰減確實比較大,但是同樣地其他終端發(fā)射出的毫米波信號(對你而言是干擾信號)的衰減也很大,所以毫米波系統(tǒng)在設(shè)計的時候不用特別考慮如何處理干擾信號,只要不同的終端之間不要靠得太近就可以。選擇60GHz更是把這一點利用到了極致,因為60GHz正好是氧氣的共振頻率,因此60GHz的電磁波信號在空氣中衰減非?？?從而可以完全避免不同終端之間的干擾。

 當(dāng)然,毫米波在空氣中衰減非常大這一特點也注定了毫米波技術(shù)不太適合使用在室外手機終端和基站距離很遠(yuǎn)的場合。各大廠商對5G頻段使用的規(guī)劃是在戶外開闊地帶使用較傳統(tǒng)的6GHz以下頻段以保證信號覆蓋率,而在室內(nèi)則使用微型基站加上毫米波技術(shù)實現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸。