互聯網改變了世界,移動互聯網重新塑造了生活,“在家不能沒有網絡,出門不能忘帶手機”已成為很多人的共同感受。人們對動互聯網的要求是更高速、更便捷、更強大、更便宜,需求的“更”是沒有止境的,這促使著移動互聯網技術突飛猛進,技術體制的更新換代也隨之越來越快。很多用戶剛剛踏入4G的門檻,5G時代很快就要來到了。
5G該會有什么樣的技術?很多專家都有過預測,但能讓外行人能看懂的文章一篇都沒有,畢竟通信專業的門檻較高,特別是對未來技術的演進問題更難以科普。這篇文章的寫法很特別,初中生水平就能看懂,通篇只需要您懂一個公式【光速=頻率×波長】。
一、緒論
1、雙駝峰規律
一項新技術概念出現后,在業界會出現一個研究討論的高潮,這是第一個駝峰。相關的學術論文會產為熱點,成堆的博士碩士依托這項新技術完成了畢業論文,雖然很熱鬧,但這僅僅局限在學術研討層面上,而在具體的技術實現方面還存在著很多問題,或者因成本原因而根本無法量產。
研究討論高潮逐漸降溫,這是第一個駝峰的下落期,接下來是低調務實的技術攻關,這個平臺期可能幾年也可能一二十年。當技術問題都解決后,就會迎來商家量產和投入市場的熱潮,這就是第二個駝峰。
按照國際電信聯盟關于2020年的規劃,5年后就要全面進入5G了,而到現在核心技術體系還沒有確立。
回顧3G技術發展史,國際電信聯盟于1998年6月30日接收了3G技術提案,并迎來了第一個駝峰期,直到2009年1月7日,工業和信息化部正式發放了三張3G牌照,這才進入到第二個駝峰,平臺期持續了11年,特別是三張牌照之一的TD-SCDMA,直到2013年才真正成熟,平臺期長達15年,可剛成熟4G時代就來臨了。
按照“雙駝峰規律”,5年后將在全球推廣使用的技術,應在2010年左右就迎來第一個駝峰,而不會在2020前的兩三年橫空出世,然后迅速被國際電信聯盟確定為全球的5G標準,這違反了一般的技術發展規律,不太可能成真。
2、通信技術的極限
通信技術可以用八個字概括,那就是調制、解調、編碼、解碼,這些技術發展到現在,已經普遍到了平臺期,例如編碼的效率已經接近了極限,內部挖潛增效的余地越來越小,有些業界大牛甚至覺得通信已經沒啥搞頭了,轉行去了醫療設備行業,把其扎實的通信功底用在了高精尖醫療電子設備研發方面,以追求更有希望的未來。
您可能會有疑問:科學技術越來越強,為什么不能把極限突破了呢?其實通信技術的極限并不是技術工藝方面的限制,而是建立在嚴謹數學基礎上的推論,在可以遇見的未來是基本不可能突破的。
根據技術發展的“雙駝峰規律”和通信技術發展的現狀,不大可能會在未來幾年里橫空出世個令人驚異的新技術,5G技術應是現有技術的新組合,是4G技術的再演進。
為什么要有個“再”字?因為4G LTE的后三個字母就是長期演進的意思,5G應是在4G基礎上的再演進。
二、5G關鍵技術
1、增加帶寬是關鍵
5G最顯著的特點是高速,按規劃速率會高達10~50Gbps,人均月流量大約有36TB。如此高的速率該靠什么資源來支撐呢?必須要靠更大的帶寬!
帶寬用字母B來表示,它就好比是道路寬度,最大速率用C來表示,它就好比是道路的最大車流量。顯然易見,4車道的最大車流量是2車道的2倍,8車道的是2車道的4倍,這非常好理解。
增加車道數是提高最大車流量最直接有效的方法,同樣地,提高速率的最直接有效的方法就是增加帶寬。我依然記得讀研究生時,老師在講到帶寬時擲地有聲地說:“你們給我記住:高速就是寬帶,寬帶就是高速!”
人們對通信速率要求越來越高,迫使著信道的帶寬就越來越寬,幾根電話線的帶寬不夠,那就增加到幾百根,幾百根不夠就換成同軸電纜,電纜帶寬不夠就換成光纖,有線通信的帶寬就是這樣一代代地遞增著。
而手機通信使用的是無線信道,那它的帶寬是如何增加的呢?核心方法就是采用更高的頻段。
上過初中的都知道【光速=頻率×波長】這個公式,知道這個公式就能看懂上面這個表格了,頻率與波長成反比,兩者之積等于光速,即30萬公里/秒。
請看表格中兩個黃色塊的數據,數值都是3~30,但單位不同,甚低頻段的整個帶寬是27kHz,超高頻段的整個帶寬是27GHz,后者是前者的100萬倍!由此可見,頻段越高且帶寬越大,這點非常好理解,好比是低保戶和大富豪都拿出全部的財產,后者會比前者多得多。
所以關系就來了:5G時代若想更高速,就得使用更大的帶寬,而要取得更大的帶寬,就得使用更高的頻段。4G之前使用是特高頻段,5G就得往超高頻甚至更高的頻段發展了。根據國際電信聯盟的專家預測,將來有可能使用30GHz~60GHz的頻段,俄羅斯專家甚至提出了80GHz的方案。
30GHz以上的頻段,比上表中最后一項的超高頻還要高,其波長自然要比厘米段更短,那就是更短的毫米波,因此毫米波就順理成章地成為了5G的一項關鍵技術。
2、毫米波技術
電波傳播的特性很有趣,頻率越高(即波長越短)的電磁波,就越傾向于直線傳播,當高到紅外線和可見光以上時,就一點也不打彎了,這是個漸進的過程。
毫米波一般不用于移動通信領域,原因就是它的頻率都快接近紅外線了,信道太“直”,移動起來不容易對準。請想象一個場景,您拿著激光筆指遠處墻壁上的圖釘,是不是一件很困難的事?
例如衛星車就很難“動中通”,開動起來車身搖擺,天線(就是那個大鍋)就很難對準衛星,通常只能駐車后工作,而且必須精細調整天線的角度,使其電波的輻射方向正對著衛星,否則就無法通信。
手機是移動使用的,不可能打電話時還舉著手機瞄準準基站的方向,那樣實在是反人性。雖然在非正對方向也有信號,但強度會明顯衰弱,使用體驗會比4G之前要差得多。
電磁波有五種傳播模式,相對于未來的5G時代,我們現在手機的頻率要低得多,其繞射能力還是不錯的,樓房陰影處的信號也沒太大問題,因為信號可以繞著到達。
而未來5G的頻率會高得多,繞射能力會下降,信號只能傻楞楞地直著走,以往信號能到達的犄角旮旯就到不了了,那該怎么辦呢?這就引出了更一項技術—微基站技術。
3、微基站技術
請您腦補一個場景,小區中心只立著一盞路燈,陰影面積當然會很大,而如果在小區里均勻設置很多路燈,陰影面積則會小得多了。所以說,將傳統的宏基站變成站點更多密度更大的微基站,是解決毫米波“直線問題”的有效方法。
這只是微基站的一個原由,還有一個更強大的原由。5G時代的入網設備數量會呈爆炸性的增長,單位面積內的入網設備可能會增至千倍,若延續以往的宏基站覆蓋模式,即使基站的帶寬再大也無力支撐。
這個原由很好理解,以前的宏基站覆蓋1000個上網用戶,這些用戶均分這個基站的速率資源,而進入5G時代后用戶的速率要求高多了,一個基站的資源就遠遠不夠分了,只能布設更多的基站,例如讓每個基站只負責20個用戶,分餐的人少了,每個人自然就能多吃。
基站微型化則設布設密度會加大。為避免基站之間的頻譜互擾,基站的輻射功率譜就會降低,同時手機的輻射功率也會降低。這有兩個好外,一是功耗小了待機時間會增加,二是對人體的輻射會降低。傳統基站好比是房屋中間的火爐子,近處燙遠處冷,而5G的微基站就好比是地暖,發熱均勻更加舒適。
微基站數量大幅度增加后,傳統的鐵塔和樓頂架設方式將會擴展,路燈桿、廣告燈箱、樓宇內部的天花板,都會是微基站架設的理想地點。
波長縮短到毫米波還會有什么影響呢?還會影響到手機天線的變化,這就是下一節要說的5G另一項技術—高階MIMO。
4、高階MIMO
根據天線理論,天線長度應與波長成正比,大約在1/10~1/4之間,當前手機使用的是甚高頻段(即分米波),天線長線大約在幾厘米左右,通常安裝在手機殼內的上部。
天線的長度為什么應在波長的1/10~1/4之間?因為這個比例可使電波的輻射和接收更有效,為什么會更有效?這我就不知道了,這得問物理學家。
5G時代的手機頻率在提升幾十倍后,相應的手線天線長度也會降低到以前的幾十分之一,會變成毫米級的微型天線,手機里就可以布設很多個天線,乃至形成多天線陣列。
多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個波長以上,手機的面積很小。現在的手機天線是幾厘米長,多天線陣列是難以設置的。而隨著天線長度的降低,特別是5G時代的毫米尺寸天線,就可以布設多天線陣列了,就給高階MIMO技術的實現帶來了可能。
啥是MIMO呢?其英文簡寫是“多入多出”的意思,高階MIMO的意思是指基站與手機之間有很多對的信道并行通信,每一對天線都獨立傳送一路信息,經匯集后可成倍提高速率,這當然是件極好的事。
不知您是否思考過這個問題:因為基站不知道您在哪個方位,所以它跟你通信使用的電磁波是全向輻射的,就好像是電燈泡發出的光那樣,只有到達你手機的輻射才是有用的,其它方向的輻射都是浪費的,這種巨大的無用輻射還成為了其它手機的干擾。
如上圖所示,因為手電筒的能量更集中,所以比燈泡照的更遠,基站與某部手機的關系就相當于光源與被照射物的關系。
現在基站與手機的關系就是燈泡模式,不管手機在哪個方位,都會把針對這部手機的信號進行全向的輻射,當然絕大多數非正對方向的能量都是浪費掉了,而且還成為了其它手機的干擾。
能不能把燈泡模式改成有指向性的手電筒模式呢?即把上圖左面的全向輻射樣式改成右面的這種窄波瓣樣式,從而提高能量的使用效率?這就是下節要說到的波束賦形技術。
5、波束賦形技術
中國主導的3G國際標準TD-SCDMA有六大技術特點,其中有一項就是智能天線,在基站上布設天線陣列,通過對射頻信號相位的控制,使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄,并指向它所提供服務的手機,而且能跟據手機的移動而轉變方向。
由全向的信號覆蓋變為了精準指向性服務,這種新形式的無線電波束就不會干擾到其它方向的波束,從而可以在相同的空間中提供更多的通信鏈路。這種充分利用空間的無線電波束技術是一種空間復用技術,可以極大地提高基站的服務容量。
遺憾的是這項技術沒有在3G時代得到應用,但在5G入網設備數量成百上千倍增加的情況下,這種波束賦形技術所能帶來的容量增加就顯得非常有價值,波束賦形技術很可能成為5G的關鍵性技術之一。
波束賦形技術不僅能大幅度增加容量,還可大幅度提高基站定位精度。當前的手機基站定位的精度很粗劣,這是源于基站全向輻射的模式。當波束賦型技術成功應用后,基站對手機的輻射波瓣是很窄的,這就知道了手機相對于基站的方向角,再加上通過接收功率大小推導出手機與基站的距離,就可以實現手機的精準定位了,并因此而擴展出非常多的定位增值服務。
6、綜合分析
任何更新換代的關鍵性技術,都必須是經歷過多年研究的成熟技術,按規劃還有5年就要進入5G時代了,不太可能突然出現一個全新的技術并被吸納為5G的國際標準中,考察5G的技術發展脈絡還得從成熟技術中尋找答案。
在傳統的宏基站大覆蓋的情況下提速是非常困難的,20%的頻譜利用率的提升都是了不起的成就,而在5G時代的千倍提速要求面前,這種內部挖潛的方法是行不通的,只有通過大幅度的加大帶寬才有可能。
加大帶寬是起點,由此而產生的毫米波、微基站、高階MIMO、波束賦型等都是順理成章的技術趨勢。只要把基站做得足夠小,其服務范圍變窄了,單個用戶獲得的資源就能足夠大,速度就可以提高到足夠快。
所以說,5G的任何一項關鍵技術都不會有革命性的突破,其上千倍綜合能力的提升,更多地是來自移動網絡的重新布局。
三、后記
這篇5G科普您一定能看懂,而且還能理解一環扣一環的5大技術的原由,甚至覺得這是理所應當的。其實,這種易讀性并不容易做到,尤其是技術門檻很高的通信專業,能讓外行越容易理解的文章,就越能體現作者的功力,這還真不是王婆賣瓜,而是一個在教育界有共識的道理。
真正的道理都不繁瑣,往往就是一句話的事,難就難在把這句話提煉出來讓更多的人理解。我寫過不少科普,現在看來對這篇是最滿意的,因為這篇講的不是“是什么”,而是“為什么”,是什么好講,為什么難說,尤其是把“為什么”給外行人講清楚,做到讓他們理所應當式的理解。這篇文章的內容次序和寫法上進行了反復斟酌并屢次重寫。
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