走进通信:5G高频率的“蝴蝶效应” - 5G - IT之家

2020-05-08 作者:通讯产品   |   浏览(121)

当然严格来说,所谓的毫米波更确切的是指EHF频段,它是频率范围横跨30GHz至300GHz的电磁波,如果从波长来定义,30GHz的电磁波波长为10毫米,而300GHz的电磁波波长则仅为1毫米。但根据FR2频段的播放来计算,24.25GHz的波长已经超过10毫米,虽然我们将它称作毫米波,但许多人认为它更应该划入厘米波的范畴。毫米波曾是蛮荒之地,但现在它却是通向5G最好的桥梁。

在电台进行发射和接收时都希望导线中的交变电流能够有效的转换成为空间中的电磁波,或空间中的电磁波能够最有效的转换成导线中的交变电流。这就对用于发射和接收的导线有获取最佳转换效率的要求,满足这样要求的用与发射和接收无线电磁波信号的导线称为天线

毫米波用在移动通信是5G的目标,不过目前在技术上还有很多问题,穿透障碍物和反射的损耗太大,初期可用于室内或没有遮挡的固定无线宽带接入上,能否广泛用在手机上还看技术的进步,估计要到五年以后。

从大哥大时代的外置式手机天线到现在的内置天线,手机天线的进化史恰恰也反应了移动通信的进化历程,而这两者的关系,源于天线与波长的关系。

毫米波对于5G商用而言,是不可或缺的。这是全球所有移动通信运营商基础网络运营商的共识。ITU召开的世界无线电通信大会上,各国代表提出强烈要求把一些毫米波频谱资源识别用于5G。WRC-15最后决议设立5G高频段议题1.13,将针对24.25-86 GHz频段内的11个5G毫米波候选频段开展研究,为5G及其演进的未来发展寻找新的频谱资源。这标志着5G频谱全面迈入毫米波时代。

去年12月,我国三大移动运营商已经获得全国范围5G中低频段试验频率使用许可。

毫米波现阶段的难题

既然如此,那就让5G的蝴蝶翅膀可劲扑棱吧,这个效果,我们能承受得住。

毫米波本身由于传播距离比6GHz以下频率更短,因此在整个传播路径下,它的定向性将会更具优势,这使得毫米波信号间受到干扰的可能性将会变得更小,传播的精度有所提高。另外,窄波束本身由于传播距离短,它被远距离截获的可能性将变得更低,在通讯安全方面,也有着无可比拟的优势。

频率

5G强大的能力和丰富的连接场景势必会激发各行各业的应用。而满足这些需求仅仅依靠中、低频段是无法实现的,这就需要高、中、低频协同工作,在不同场景下不断创造更佳的用户体验。为此,尽早推动毫米波产业发展和成熟对于5G的成功商用非常重要。毫米波带宽大,可以满足5G高速传输要求。波束窄,可应用于雷达系统,波束窄可以看到更多细节。对于5G来讲,波束窄意味着可以做天线数量更多的天线阵列,增强信号。然而,毫米波在室外部署现阶段难度较大。对于设备的精度要求更高,这无疑会增加建设和维护成本,包括手机。在“提速降费”大背景下,显得有点格格不入。

举个例子,1Mhz—2Mhz带宽只有1M,但是1Ghz—2Ghz,其带宽就是1000M,我们还是用高速路来打比方吧,带宽越宽,高速路车行道就越多,四车道变为八车道甚至更多,同一时间内通过的车辆就更多,意味着网速就越快。

③毫米波受限于很多空间因素,衰减非常快。

“蝴蝶效应”,想必很多人都听说过——在一个动力系统中,初始条件下微小的变化能带动整个系统的长期的巨大的连锁反应。这是一种混沌现象。任何事物发展均存在定数与变数,事物在发展过程中其发展轨迹有规律可循,同时也存在不可测的“变数”,往往还会适得其反,一个微小的变化能影响事物的发展,说明事物的发展具有复杂性。

②毫米波频谱容易被楼宇、人体等阻挡、反射和折射;

Hz是频率的单位。频率是指电脉冲,交流电波形,电磁波,声波和机械的振动周期循环时,1秒钟重复的次数。1Hz代表每秒钟周期震动1次,60Hz代表每秒周期震动60次。Hz是个很小的单位,通常在其前面加上K等数量级单位。

从运营商们发布的毫米波5G技术试验结果看来,网络吞吐、峰值速率、单用户体验速率、时延等均能满足ITU对于5G系统的关键性能指标要求。在进行毫米波5G技术试验的过程中,运营商、设备商、芯片商、测试测量厂商等逐渐形成共识:未来的5G网络架构必须异构多层且能支持全频段接入的低频、中频、毫米波频段无线协作组网。

高复用增益和分集增益:大规模MIMO系统的空间分辨率与现有MIMO系统相比显着提高,它能深度挖掘空间维度资源,使得基站覆盖范围内的多个用户在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信,提升频谱资源在多个用户之间的复用能力,从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。

高能量效率:大规模MIMO系统可形成更窄的波束,集中辐射于更小的空间区域内,从而使基站与UE之间的射频传输链路上的能量效率更高,减少基站发射功率损耗,是构建未来高能效绿色宽带无线通信系统的重要技术。

高空间分辨率:大规模MIMO系统具有更好的鲁棒性能。由于天线数目远大于UE数目,系统具有很高的空间自由度,系统具有很强的抗干扰能力。当基站天线数目趋于无穷时,加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计。

因此,波束必须要通过波束导向技术不断调整,指向传输对象的方向。同时,手机持有者的位置不断移动,基站相对于人的位置也在变,这就需要波束追踪技术来时刻追踪天线移动的位置,并让波束做出相应的调整。

开头的公式很明确的指出,波长=光速/频率,也就是频率的变高直接导致波长的变短,这就是5G中所说的毫米波。

在我国,《2019年全国无线电管理工作要点》明确,将会在2019年适时发布5G系统部分毫米波频段频率使用规划,引导5G系统毫米波产业发展。这将利于支撑2019 年毫米波预商用试验及2020年毫米波大规模商业部署。

根据3GPPR1-136362的说法,在高频场景下,5G信号穿过建筑物的穿透损耗也会大大增加。这些因素都会增加信号覆盖的难度。特别是对于室内覆盖来说,用室外宏站覆盖室内用户变得越来越不可行。

毫米波5G的高性能不止于带宽、速率。3.5 GHz频段的TDD 5G有着很好的时延表现,但还达不到极低时延,而毫米波5G的时延则可以做到1毫秒——由此,大规模开展一些新兴移动通信服务所需的容量、带宽、时延,只有24 GHz以上的毫米波5G系统才能够提供。目前,Telia试验的毫米波5G应用包括:eSports、VR、对远程数据中心进行实时质量分析、为港口附近的游轮提供网络接入等。

其中,中国电信获得3400MHz-3500MHz共100MHz带宽的5G试验频率资源;中国移动获得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz频段的5G试验频率资源,其中2515-2575MHz、2635-2675MHz和4800-4900MHz频段为新增频段,2575-2635MHz频段为重耕中国移动现有的TD-LTE频段;中国联通获得3500MHz-3600MHz共100MHz带宽的5G试验频率资源。

①毫米波能量发散比较快,容易衰弱,无法传播到很远;

LTE时代的MIMO模式,在做信号覆盖时实际上只做到了水平覆盖,而Massive MIMO在其信号水平维度空间基础上引入垂直维度的空域进行利用,信号的辐射状是个电磁波束。所以Massive MIMO也称为3D-MIMO。

由于面临诸多技术和设计挑战,很多人都认为毫米波在移动终端和网络中的应用是不切实际且不可实现的。

实际上5G是很复杂的,单一频率变化引起的“蝴蝶效应”已经多到“罄竹难书”,比如多天线是如何保证信号不被干扰、波束赋形的作用等,如果有兴趣的话我们可以下篇文章中一起探讨一下。

毫米波5G布局中的重要作用

频率的变化引起的第一个通信生态中的“蝴蝶效应”就是5G的基站了,其附带的也改变了5G的网络覆盖模式。

毫米波将是5G发展的必经之路

式中c为光速,λ是波长,v是电磁波的频率。目前三大运营商所持有的4G频率我们也都知道了,如下图:

相较于LTE所采用的6GHz以下频段,毫米波天生的技术优势让人没有再拒绝的可能。从带宽来看,6GHz频段以下的LTE最大可用带宽仅为100MHz,这意味着数据速率至高只能满足1Gbps的下行。但毫米波频段移动应用最大带宽达到了400MHz,传输速率能够达到10Gbps甚至更多,在以快为先的5G时代,这样的带宽表现才能满足用户的期待。

总结:

④形成波束后,如果只有一个波束,波束的方向又不变,一旦手机的位置有变动,信号就无法传到基站。

天线长度与频率成反比,与波长成正比,频率越高,波长越短,天线也就可以做得越短。

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Massive MIMO

用蝴蝶效应来比喻5G频率的变化对整个通信生态造成的影响可能不太准确,但频率的变化的确对通信生态造成了不小的影响,这也符合蝴蝶效应中的“一个微小的变化能影响事物的发展”,不精确,却较为符合。

但是使用Massive MIMO,可生成高增益、可调节的赋形波束,从而明显改善信号覆盖,由于其波束非常窄,也可以大大减少对周边的干扰。

现有资料显示,Massive MIMO的优势具体有以下几点:

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