5G通訊關(guān)鍵技術(shù)——毫米波解析

第五代移動(dòng)通信系統 (5th generation mobile networks,簡(jiǎn)稱(chēng)5G)離正式商用(2020年)越來(lái)越接近,這些日子華為、三星等各大廠(chǎng)商也紛紛發(fā)布了自己的解決方案,可謂“八仙過(guò)海,各顯神通”。

 5G的一個(gè)關(guān)鍵指標是傳輸速率:按照通信行業(yè)的預期,5G應當實(shí)現比4G快十倍以上的傳輸速率,即5G的傳輸速率可實(shí)現1Gb/s。這就意味著(zhù)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(huì )帶來(lái)一些其他的應用,比如云端游戲(游戲在云端服務(wù)器執行,直把執行畫(huà)面傳回手機,這樣手機配置不高也能玩大型游戲),虛擬現實(shí)(同理把運算放到云端,手機端只負責輸出畫(huà)面)等等。

 5G如何實(shí)現如此高的傳輸速率呢?

 無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳輸中,數據以碼元(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(wú)線(xiàn)帶寬不變,而每個(gè)碼元傳送的信息數據量是由調制方式?jīng)Q定的。

 調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(shí)候點(diǎn)燃烽火,每有情況的時(shí)候熄滅烽火。從現代通訊理論來(lái)說(shuō),就是我們調制了烽火。由于普通的烽火一共只有兩種狀態(tài)(點(diǎn)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(méi)有敵人,1=點(diǎn)燃=有敵人)。烽火臺能不能改善一下來(lái)一次傳遞更多信息呢?我們可以通過(guò)引入更多狀態(tài)來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。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(méi)有敵人,01=小火=有敵人且離我們很遠,10=中火=有敵人且離我們不遠,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(shí)也會(huì )增加信息傳遞出錯的可能。如果天氣不好的時(shí)候可能會(huì )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(diǎn)燃),則出錯的幾率比較小。

 無(wú)線(xiàn)通訊中的調制也是這個(gè)道理,通過(guò)操縱無(wú)線(xiàn)電波的幅度和相位可以產(chǎn)生載波的不同狀態(tài)。當調制方式由簡(jiǎn)單變到復雜時(shí),載波狀態(tài)數量增加,一個(gè)碼元所代表的信息量(比特數)也增加。

 但另一方面每個(gè)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該在的位置從而造成解碼出錯。所以復雜調制對信道的要求比較高,在信道噪聲很大的情況下使用復雜調制會(huì )導致數據傳輸誤碼率很高,而且解碼所需要的電路也會(huì )非常復雜,導致功耗很大。

 由簡(jiǎn)單(左)到復雜(右)調制的狀態(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(jiǎn)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(shí)現的數據傳輸速率也翻倍。但問(wèn)題是,現在常用的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(chǎng)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(diǎn)?

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

 根據通信原理,無(wú)線(xiàn)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(shí)現的信號帶寬也越大。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(gè)頻段。28GHz頻段的可用頻譜帶寬可達1GHz,而60GHz頻段每個(gè)信道的可用信號帶寬則到了2GHz(整個(gè)9GHz的可用頻譜分成了四個(gè)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(shí)代,我們可以使用毫米波頻段輕輕松松用手機5G在線(xiàn)看藍光品質(zhì)的電影,只要你不怕流量用完!

 各個(gè)頻段可用頻譜帶寬比較

 毫米波頻段的另一個(gè)特性是在空氣中衰減較大,且繞射能力較弱。換句話(huà)說(shuō),用毫米波實(shí)現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(shí)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,所以毫米波系統在設計的時(shí)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(diǎn)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。

 當然,毫米波在空氣中衰減非常大這一特點(diǎn)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的場(chǎng)合。各大廠(chǎng)商對5G頻段使用的規劃是在戶(hù)外開(kāi)闊地帶使用較傳統的6GHz以下頻段以保證信號覆蓋率,而在室內則使用微型基站加上毫米波技術(shù)實(shí)現超高速數據傳輸。