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为什么5G能比4G快十倍?

个人笔记 Lee 2年前 (2016-08-11) 701次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

目前,各大厂商都在加快自己在5G技术上的测试工作。记得在上周,华为与沃达丰共同完成了5G毫米波 室外现场测试,实现单用户设备 20Git/s 的峰值传输速度。

距离 2020 年5G正式商用的期限,越来越近。目前,各大厂商都在加快自己在5G技术上的测试工作。记得在上周,华为与沃达丰共同完成了5G毫米波 室外现场测试,实现单用户设备 20Git/s 的峰值传输速度。不过,按照预期,最终 5G 的传输速率将可实现 1Gb/s,比 4G 快十倍以上,要如何实现?这 其中的关键技术在于5G采用了毫米波

1. 什么是 G会是 5G 实现高速传输的关键所在吗?实际上,毫米波是指波长在 1~10 毫米的电磁波,其频率大约在 30GHz~300GHz 之间。它位于微波与远红外波相交叠的波长范围,因而兼具两种波普的特点。理论上讲,毫米波是光波向低频的发展与微波向高频的延伸。

从通信原理来看,无线通信最大信号带宽约在载波频率的 5%左右,也就是说,载波频率越高,其可实现的信号带宽也就越大。此外,在毫米波频段 中,28GHz 与 60GHz 是最有望应用在 5G 通信的两个频段。其中,28GHz 的可用频谱带宽可达 1GHz,60GHz 每个信道的可用信号带宽则可达 2GHz。

与 5G 通信相比,4G-LTE 的频段最高频率约在 2GHz 左右,因而其可用频谱带宽只有 100MHz;使用毫米波频段,频谱带宽则可翻 10 倍,传输速率也将更快。因此,5G 将不仅仅意味着 10 秒传输一部 1GB 电影,其还将支撑例如云端游戏、虚拟现实等更多的应用。

2. 宝贵的频带资源

众说周知,无线通信依托于电磁波传播,最宝贵的资源莫过于频带。目前,电信业者已开始研究毫米波技术,以便找到最适合移动应用的频率范围。为了统一 全球的毫米波频率标准,国际电信联盟(ITU)在近期的世界无线电通讯大会结束后,公布了 24GHz 到 86GHz 之间的全球可用频率的建议列表,最后 28GHz、39GHz 与 73GHz 三个频带逐渐脱颖而出。

基于 28GHz 在美国、韩国与日本的可用性,加之美国电信业者早期现场测试的投入,该频谱无论是否成为国际标准,都可能直接成为美国的移动技术应 用。此外,韩国于 2018 年奥运展示 5G 技术的目标,也可能在标准组织确定 5G 标准之前,率先推动 28GHz 技术用于消费型产品上。尽管目前仍无法确认 28GHz 是否可以广泛用于 5G 应用,但该频率在现阶段绝对非常重要。

在进行 28GHz 相关研究的同时,E 波段(E-band)频率在近几年也引起了移动通讯领域的关注。开篇所说的华为与沃达丰,正是在 E-Band 微波上对 5G 进行室外现场测试。此外,区分 73GHz 与 28GHz、39GHz 三者关系的其中一项特性,就是可用的连续带宽。

73GHz 中有 2GHz 的连续带宽可用于移动通讯,这是拟议频率频谱中范围最广的;28GHz 仅提供 850MHz 的带宽;在美国,39GHz 附近就 有两个频带提供 1.6GHz 与 1.4GHz 带宽。此外,根据 Shannon 定律,即更高的带宽代表更高的数据传输量,73GHz 与另外两个频率相较更具优 势。

3. 毫米波的特性

说了这么多,毫米波又具备哪些特性呢?从理论上讲,毫米波是光波向低频的发展与微波向高频的延伸。由于毫米波的独有特性,使其在传播时不易受到自然光和热辐射源的影响,不光是通信,其还可应用于雷达、制导等诸多领域。

说了这么多,毫米波又具备哪些特性呢?从理论上讲,毫米波是光波向低频的发展与微波向高频的延伸,可通过空气就可传输信号。由于毫米波的独有特性,使其在传播时不易受到自然光和热辐射源的影响,不光是通信,其还可应用于雷达、制导等诸多领域。

例如利用大气窗口的毫米波频率,可实现大容量的卫星到地面通信,利用高分辨率的毫米波辐射计遥感气象参数,还可以使用射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱,从而推断星际物质的成分。现在,对于网络信号的传输,毫米波技术也产生了巨大助力。

于用户而言,使用毫米波技术的无线宽带,其速度远高于从有线电视公司或电话公司获得的宽带速度。尽管现在已有 WIFI、LIFI 等上网技术,但通过空气传输信号的毫米波技术无疑是另一种不错的替代方案。

4. 5G 通信的关键所在

当然,事物都有两面性,毫米波亦是如此。尽管毫米波技术用途广泛,但其也不可避免地存有短板。例如其传播距离最多只能在 200 米左右,无法实现远距离传输,又或是毫米波的穿透能力不强,在空气中衰减较大,遇到墙或者其他阻碍就无法发挥作用。

不过,毫米波在空气中传输衰减大也是可以为我们所用的。只要想办法提升毫米波的传输距离,出于成本考虑,距离越大所需建设的网络基站就越少,也就越 节省成本。因此,在网络技术传输方面,毫米波尚不能单独使用,需与其他技术结合形成叠加型网络,共同实现对网络信号的传输功能。

若能使用毫米波小基站,则有利于解决宏基站和小基站切换频繁,而造成用户体验差的问题。宏基站可以作为移动通信的控制平面在低频段工作,毫米波小基站可作为移动通信的用户数据平面在高频段工作,二者配合的相得益彰。

此外,用毫米波信道作为移动通信回程,可根据数据流量的实际情况随时部署新的小基站,也可在闲置或轻流量时段关闭小基站。部署灵活,还可降低能耗, 节约资源。毫米波的另一个特点就是天线的物理尺寸可以较小,原因在于天线的物理尺寸正比于波段的波长,因此硬件厂商可以更方便的在移动设备上配备毫米波的 天线阵列,从而实现各种 MIMO 技术。

尽管目前,我们还不清楚 5G 技术未来究竟如何发展,但可以确定的是毫米波因其特有的优势,无疑将成为 5G 网络发展中的关键技术。尽管毫米波存在着传输距离与穿透力问题上的缺陷,但其应用前景却是极为广阔的。下一步,只需确定移动通讯要使用哪一种毫米波频带。


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