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毫米波、大規(guī)模天線、全雙工、波束賦形以及小小區(qū)只是高速5G網絡所需的幾項關鍵技術

Amy Nordrum, Kristen Clark 以及IEEE Spectrum組成員

2017/1/27

以下文字部分為原文翻譯，與視頻語音內容不一致。

原文章和視頻內容請參見：

http://spectrum.ieee.org/video/telecom/wireless/everything-you-need-to-know-about-5g

目前，移動用戶想要獲取更加快速的速率以及更加穩(wěn)定的業(yè)務，5G網絡不但能夠滿足這些要求，還能夠超越更多。5G網絡中，用戶不僅能夠在幾秒內下載一部高清電影(LTE需要10分鐘)，它還能促進其它更多新技術的發(fā)展，如自動駕駛、虛擬現(xiàn)實以及物聯(lián)網等。

如果一切順利的話，運營商希望在2020年早期提供商用網絡。目前，雖然5G還處于計劃階段，但是運營商和商業(yè)團體已經開始一起研究采用5G來干什么了。大家都一致認為：當用戶數(shù)和數(shù)據需求增加時，5G必須處理更快速、更大量的數(shù)據業(yè)務。

為了達到這個目標，無線工程師正在設計一系列關鍵技術。利用這些關鍵技術，可以實現(xiàn)毫秒級的數(shù)據傳送時延(4G網絡中大約70ms)，并為用戶提供20Gbps的下行峰值速率(4G網絡中只有1Gbps)。

目前，尚不清楚哪種技術會在未來的5G發(fā)展中起到主導作用，但是一些受人喜歡的技術也已經暫露頭角了。這些先導技術包括毫米波、小小區(qū)、大規(guī)模天線、全雙工以及波束賦形。為了更好地理解5G網絡優(yōu)于4G網絡的原因，有必要研究這5種關鍵技術，并分析它們對無線用戶來說分別意味著什么。

毫米波

現(xiàn)今的無線網絡面臨一個問題，即越來越多的用戶和設備消耗的數(shù)據量遠大于以往，但是移動運營商卻仍然在使用之前的無線頻譜。這意味著每個用戶所獲取的帶寬越來越小，從而業(yè)務越來越慢，甚至經常掉線。

解決這個問題的最簡單的方法就是采用之前未曾使用的新頻譜來傳送信號。因此，運營商正在實驗采用高頻段的毫米波來傳送信號，其范圍為30~300GHz，不同于早期所使用的6GHz以下頻段。

毫米波的波長為1到10mm，而目前手機所使用的波長則為幾十厘米。之前，只有衛(wèi)星通信和雷達系統(tǒng)使用毫米波，但現(xiàn)在一些運營商也開始使用它們來進行固定點之間的數(shù)據通信，如在兩個基站間采用毫米波進行通信，但這也是一個全新的方法，需要加以深入研究。

但毫米波有一個嚴重的缺點，就是難以穿越建筑物或者障礙，且易于被樹葉和雨水所吸收。這也就是為什么5G網絡需要采用小小區(qū)技術來進行覆蓋增強。

小小區(qū)

小小區(qū)是便攜式小型基站，它的功耗較低，且可以每250m放置一個，在整個城市內進行部署時很方便。但是，為了避免信號衰落，運營商需要在城市內安裝上千個站，形成密集網絡，采用類似中繼的技術，從其它基站接收信號并轉發(fā)給其它任何位置上的用戶。

傳統(tǒng)的蜂窩網絡也依靠基站數(shù)的增加來改善性能，但是要滿足5G性能則需要更大型的網絡體系。慶幸的是，如果采用毫米波，則小小區(qū)中的天線比傳統(tǒng)天線小很多，因此適于安裝在燈桿或者建筑物頂上。

這種完全不同的網絡結構能夠更有效地利用頻譜，其原因在于，站數(shù)多就表示基站和用戶間所使用的頻率在其它地方還可以復用，從而不同基站可以采用同一頻率為不同的用戶提供服務。但是也存在一個問題，那就是5G網絡中小小區(qū)的數(shù)量巨大，因此難以在鄉(xiāng)村地區(qū)進行部署。

除了采用毫米波之外，5G基站還具有更多的天線數(shù)，以便利用大規(guī)模MIMO (mMIMO)這項新技術。

大規(guī)模MIMO

4G基站具有很多天線端口，發(fā)送通常采用8個端口，接收通常采用4個端口。但是5G基站可以支持上百個端口，這意味著大量的天線需要對應到單個陣列上去。這個特性意味著基站可以同時與多個用戶進行信號的收發(fā)工作，從而使網絡容量增加22倍以上。

這項技術稱為大規(guī)模MIMO(即mMIMO)。MIMO表示多入多出，即無線系統(tǒng)采用2個或者多個收發(fā)機來同時收發(fā)多路數(shù)據。mMIMO將多個天線映射到一個陣列上，從而將MIMO這個概念提高到新的高度。

MIMO在4G基站中已經開始應用了。但是至今為止，MIMO僅在實驗室和有限的外場進行過測試。頻譜效率是每秒內一些用戶所傳送的數(shù)據比特數(shù)，早期的測試中，頻譜效率確實得到了很大提高。

mMIMO對未來的5G來說非常關鍵。然而，安裝這么多天線來處理移動話務也會帶來很大干擾，這就是為什么5G基站必須使用波束賦形技術。

波束賦形(Beamforming)

采用波束賦形，基站可以采用更有效的傳送通路將數(shù)據發(fā)送給特定用戶，從而降低周圍用戶間的干擾。不同形勢(situation)和技術下，5G網絡實現(xiàn)波束賦形的方法也不同。

波束賦形可以幫助mMIMO陣列更有效地利用頻譜。mMIMO的主要挑戰(zhàn)是同時采用多個天線收發(fā)數(shù)據時需要降低干擾。mMIMO基站上，信號處理算法為每個用戶挑選最優(yōu)空口傳輸路徑。然后，在不同方向上發(fā)送數(shù)據時，可以采用精確協(xié)調好的模式來控制建筑物和其它物體間的信號傳送通路。通過對數(shù)據包的移動和達到時間進行設計，波束賦形使得mMIMO陣列上的多個用戶和天線可同時交換更多的信息。

對于毫米波來說，波束賦形主要用于解決信號易于受物體阻擋和路徑衰減較快的問題。這種情況下，波束賦形有助于將信號集中在指向用戶方向的波束上，而不是同時在多個方向上進行廣播。這種方法可以增強信號完整到達的機會，降低其它方向上的干擾。

5G系統(tǒng)中，采用毫米波可以增強速率，采用mMIMO可以提高頻譜效率。除此之外，由于全雙工可以改變天線收發(fā)數(shù)據的路徑，因此工程師還嘗試采用全雙工來獲取更高的吞吐量和較低的時延。

全雙工

基站和手機可以采用相同頻率進行信息接收和發(fā)送，但是收發(fā)信機需要進行轉換(take turns)。當然，如果用戶想要同時收發(fā)信息，也可以采用不同的頻率。

5G系統(tǒng)中，采用全雙工技術，可以采用同一頻率同時進行數(shù)據的收發(fā)工作，它可以將物理層速率提高一倍。就像兩個人同時說話但是都能夠相互聽懂一樣。

一些戰(zhàn)爭中已經利用笨重的設備來進行全雙工通信了。但是要在個人設備上實現(xiàn)全雙工通信還需要努力。比如，在天線同時收發(fā)數(shù)據時，研究人員必須設計一個電路來實現(xiàn)進/出信號的選路，以避免它們之間的碰撞。

實現(xiàn)全雙工的難度在于電波傾向于采用同一頻率在前向和后向進行傳送，即互易性準則。但是最近，專家們已經組合硅晶體作為高速轉換器來進行信號轉換，使它們能夠在相同頻率上同時進行信號的收發(fā)工作。

全雙工的一個缺點就是它會產生干擾信號，形成煩人的回聲。當發(fā)射機發(fā)射信號時，信號與終端的天線很近，因此比它所接收到的所有信號都要強。期望天線同時收發(fā)就需要采用特殊的回聲抵消技術。

采用上述這些5G關鍵技術以及其它技術，工程師們希望建立無線網絡來為智能機用戶、VR游戲以及自動駕駛等業(yè)務來提供服務。研究人員和運營商對5G提供低時延高速率服務充滿期待，如果他們能夠解決剩余的一些挑戰(zhàn)，并指出如何將這些關鍵技術融合在一起，則超速5G業(yè)務在未來的5年內一定可以到達消費者手中。