5G時(shí)代的射頻技術(shù)發(fā)展趨勢

無(wú)線(xiàn)專(zhuān)家們表示，到2020年5G蜂窩網(wǎng)絡(luò )有望產(chǎn)生兩種新的空中接口和基于最新大規模MIMO技術(shù)的新天線(xiàn)設計。與此同時(shí)，LTE將突破Gbit/s瓶頸。“我們應該為毫米波頻段開(kāi)發(fā)一種新的空中接口。當然，用于訪(fǎng)問(wèn)物聯(lián)網(wǎng)的另外一種空中接口應該也會(huì )有一些機會(huì )。”Intel公司首席無(wú)線(xiàn)技術(shù)專(zhuān)家Kenneth Stewart在由WiFi專(zhuān)業(yè)公司Quantenna舉辦的大會(huì )演講中指出。

Stewart建議，在種類(lèi)廣泛的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，一些設備可以從量身定制的空中接口中受益，比如那些“在發(fā)送之前不必同步的設備……我們希望看到針對特殊用例的創(chuàng )新。“Steward 認為，LTE和WiFi在5G發(fā)明之后仍會(huì )繼續存在很長(cháng)一段時(shí)間。他介紹了一種2020年的無(wú)線(xiàn)芯片概念(如圖1)：使用全套3G、4G和5G接口，除了 802.11ax WiFi和藍牙5.0外，還支持多達60個(gè)LTE頻段。“我們認為推出這種器件原則上沒(méi)有什么困難。”

圖1：2020年代的無(wú)線(xiàn)芯片概念圖。

他鼓勵大家發(fā)明適合使用這種芯片組的殺手級手機：

我們尚欠缺的是5G網(wǎng)絡(luò )下的設備或用戶(hù)體驗，就像iPhone對3G或4G網(wǎng)絡(luò )的推動(dòng)作用——它要求部署這些網(wǎng)絡(luò )。我們還沒(méi)有見(jiàn)到能夠充分發(fā)揮未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò )優(yōu)勢的設備。我們認為尋找和提供這種設備是一個(gè)很好的機會(huì )。專(zhuān)家們普遍同意5G的先進(jìn)性將主要取決于毫米波頻率和大規模MIMO天線(xiàn)的使用。“5G的大多數利益和優(yōu)勢都依賴(lài)于大約28GHz至90GHz范圍內的毫米波的使用。”Stewart指出。

Intel公司已經(jīng)朝這個(gè)方向邁進(jìn)，目前正在推一款名為Maple Peak的60GHz WiGig產(chǎn)品。該產(chǎn)品主要用于無(wú)線(xiàn)筆記本電腦擴展塢，使用了一個(gè)2×8 倒裝芯片綁定的天線(xiàn)陣列。“挑戰主要在于功效，在這個(gè)領(lǐng)域有許多基礎性工作要做。”ITU為5G網(wǎng)絡(luò )規定了一系列目標(見(jiàn)表1)，包括針對某些服務(wù)超過(guò)10Gbit/s的數據速率。“我們相信毫米波頻段的WiFi和LTE能達到這個(gè)目標。”

表1：ITU的5G網(wǎng)絡(luò )規定。

Stewart預測到這個(gè)十年末LTE將能達到Gbit/s的數據速率。“如果幸運的話(huà)，”手機也將能使用諸如大規模MIMO等技術(shù)在相同頻段中收發(fā)數據。大規模MIMO之父、貝爾實(shí)驗室的Thomas Marzetta介紹了對這種技術(shù)的研究進(jìn)展。有次實(shí)驗成功地使用675副天線(xiàn)給10個(gè)用戶(hù)每人提供Gbit/s的速率。另外一次實(shí)驗給同一蜂窩中的每個(gè) 用戶(hù)提供了5Gbit/s的速率，即使位于蜂窩邊緣的用戶(hù)也能達到這個(gè)速率。

“還沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)使用相對較小的頻譜。”Marzetta表示，“10倍的改進(jìn)很難達到，而大規模MIMO能夠輕松實(shí)現超過(guò)10倍的改進(jìn)，并且不需要復雜的信號解碼。”大規模MIMO技術(shù)將淘汰今天的點(diǎn)到點(diǎn)MIMO系統，并且可能消除對小蜂窩基站的需求，Marzetta指出，“我相信LTE和WiFi如果不轉變到大規模MIMO的話(huà)有可能提前退出歷史舞臺。”

Stewart認為搭建這種天線(xiàn)陣列、并能以較低成本達到一致性能仍面臨許多艱巨的挑戰。“在這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中，信息理論和實(shí)現團隊之間仍缺乏基本有效的溝通。”他提醒道。即使是Marzetta也表示，大規模MIMO在他的母公司阿爾卡特－朗訊也仍然只是一個(gè)研究課題。小蜂窩基站仍是阿朗公司發(fā)展戰略的基礎。今天的802.11ac在下行鏈路信道上支持多用戶(hù)MIMO，但Quantenna等公司需要推動(dòng)對諸如體育館等用例中上行鏈路的支持，被稱(chēng)為MIMO之父斯坦福大學(xué)教授A(yíng)rogyasawami Paulraj表示。

新興大規模MIMO技術(shù)是毫米波傳輸中波束成型技術(shù)的關(guān)鍵。毫米波可以穿過(guò)植物等可能使信號衰減達8至10dB的障礙物，Paulraj指出。他已經(jīng)與美國監管部門(mén)就支持毫米波波束成形技術(shù)所需的規程修改進(jìn)行了磋商。在5G網(wǎng)絡(luò )中，數據可能在寬帶毫米波信道上傳輸，控制信號則走較慢的3G路由，他補充道。“不管會(huì )遇到什么問(wèn)題，毫米波頻率肯定會(huì )得到應用，雖然有時(shí)可能獲得大吞吐量后又失去大吞吐量。”Intel公司的Stewart和Paulraj一致認為，5G將包含許多種技術(shù)，包括大規模MIMO LTE、多種WiFi甚至藍牙。

“1G、2G、3G和4G的推動(dòng)力來(lái)自頻譜效率和吞吐量的增長(cháng)，但5G更加關(guān)注多種頻譜和技術(shù)的整合，以便給用戶(hù)一個(gè)統一的網(wǎng)絡(luò )界面。”Stewart表示，“在網(wǎng)絡(luò )上層，將所有這些集成到單個(gè)流程中還面臨諸多艱巨的挑戰。”

圖2：隨著(zhù)新的5G網(wǎng)絡(luò )的興起，老的空中接口將繼續使用，Intel公司的Stewart表示。