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關于5G你需要知道的幾項關鍵技(jì )術

發布時間:2021-04-29點擊:2085 次

目前,移動用(yòng)戶想要獲取更加快速的速率以及更加穩定的業務(wù),5G網絡不但能(néng)夠滿足這些要求,還能(néng)夠超越更多(duō)。5G網絡中(zhōng),用(yòng)戶不僅能(néng)夠在幾秒(miǎo)内下載一部高清電(diàn)影(LTE需要10分(fēn)鍾),它還能(néng)促進其它更多(duō)新(xīn)技(jì )術的發展,如自動駕駛、虛拟現實以及物(wù)聯網等。

如果一切順利的話,運營商(shāng)希望在2020年早期提供商(shāng)用(yòng)網絡。目前,雖然5G還處于計劃階段,但是運營商(shāng)和商(shāng)業團體(tǐ)已經開始一起研究采用(yòng)5G來幹什麽了。大家都一緻認為(wèi):當用(yòng)戶數和數據需求增加時,5G必須處理(lǐ)更快速、更大量的數據業務(wù)。

為(wèi)了達到這個目标,無線(xiàn)工(gōng)程師正在設計一系列關鍵技(jì )術。利用(yòng)這些關鍵技(jì )術,可(kě)以實現毫秒(miǎo)級的數據傳送時延(4G網絡中(zhōng)大約70ms),并為(wèi)用(yòng)戶提供20Gbps的下行峰值速率(4G網絡中(zhōng)隻有(yǒu)1Gbps)。

目前,尚不清楚哪種技(jì )術會在未來的5G發展中(zhōng)起到主導作(zuò)用(yòng),但是一些受人喜歡的技(jì )術也已經暫露頭角了。這些先導技(jì )術包括毫米波、小(xiǎo)小(xiǎo)區(qū)、大規模天線(xiàn)、全雙工(gōng)以及波束賦形。為(wèi)了更好地理(lǐ)解5G網絡優于4G網絡的原因,有(yǒu)必要研究這5種關鍵技(jì )術,并分(fēn)析它們對無線(xiàn)用(yòng)戶來說分(fēn)别意味着什麽。

毫米波

現今的無線(xiàn)網絡面臨一個問題,即越來越多(duō)的用(yòng)戶和設備消耗的數據量遠(yuǎn)大于以往,但是移動運營商(shāng)卻仍然在使用(yòng)之前的無線(xiàn)頻譜。這意味着每個用(yòng)戶所獲取的帶寬越來越小(xiǎo),從而業務(wù)越來越慢,甚至經常掉線(xiàn)。

解決這個問題的最簡單的方法就是采用(yòng)之前未曾使用(yòng)的新(xīn)頻譜來傳送信号。因此,運營商(shāng)正在實驗采用(yòng)高頻段的毫米波來傳送信号,其範圍為(wèi)30~300GHz,不同于早期所使用(yòng)的6GHz以下頻段。

毫米波的波長(cháng)為(wèi)1到10mm,而目前手機所使用(yòng)的波長(cháng)則為(wèi)幾十厘米。之前,隻有(yǒu)衛星通信和雷達系統使用(yòng)毫米波,但現在一些運營商(shāng)也開始使用(yòng)它們來進行固定點之間的數據通信,如在兩個基站間采用(yòng)毫米波進行通信,但這也是一個全新(xīn)的方法,需要加以深入研究。

但毫米波有(yǒu)一個嚴重的缺點,就是難以穿越建築物(wù)或者障礙,且易于被樹葉和雨水所吸收。這也就是為(wèi)什麽5G網絡需要采用(yòng)小(xiǎo)小(xiǎo)區(qū)技(jì )術來進行覆蓋增強。

小(xiǎo)小(xiǎo)區(qū)

小(xiǎo)小(xiǎo)區(qū)是便攜式小(xiǎo)型基站,它的功耗較低,且可(kě)以每250m放置一個,在整個城市内進行部署時很(hěn)方便。但是,為(wèi)了避免信号衰落,運營商(shāng)需要在城市内安(ān)裝(zhuāng)上千個站,形成密集網絡,采用(yòng)類似中(zhōng)繼的技(jì )術,從其它基站接收信号并轉發給其它任何位置上的用(yòng)戶。

傳統的蜂窩網絡也依靠基站數的增加來改善性能(néng),但是要滿足5G性能(néng)則需要更大型的網絡體(tǐ)系。慶幸的是,如果采用(yòng)毫米波,則小(xiǎo)小(xiǎo)區(qū)中(zhōng)的天線(xiàn)比傳統天線(xiàn)小(xiǎo)很(hěn)多(duō),因此适于安(ān)裝(zhuāng)在燈杆或者建築物(wù)頂上。

這種完全不同的網絡結構能(néng)夠更有(yǒu)效地利用(yòng)頻譜,其原因在于,站數多(duō)就表示基站和用(yòng)戶間所使用(yòng)的頻率在其它地方還可(kě)以複用(yòng),從而不同基站可(kě)以采用(yòng)同一頻率為(wèi)不同的用(yòng)戶提供服務(wù)。但是也存在一個問題,那就是5G網絡中(zhōng)小(xiǎo)小(xiǎo)區(qū)的數量巨大,因此難以在鄉村地區(qū)進行部署。

除了采用(yòng)毫米波之外,5G基站還具(jù)有(yǒu)更多(duō)的天線(xiàn)數,以便利用(yòng)大規模MIMO (mMIMO)這項新(xīn)技(jì )術。

大規模MIMO

4G基站具(jù)有(yǒu)很(hěn)多(duō)天線(xiàn)端口,發送通常采用(yòng)8個端口,接收通常采用(yòng)4個端口。但是5G基站可(kě)以支持上百個端口,這意味着大量的天線(xiàn)需要對應到單個陣列上去。這個特性意味着基站可(kě)以同時與多(duō)個用(yòng)戶進行信号的收發工(gōng)作(zuò),從而使網絡容量增加22倍以上。

這項技(jì )術稱為(wèi)大規模MIMO(即mMIMO)。MIMO表示多(duō)入多(duō)出,即無線(xiàn)系統采用(yòng)2個或者多(duō)個收發機來同時收發多(duō)路數據。mMIMO将多(duō)個天線(xiàn)映射到一個陣列上,從而将MIMO這個概念提高到新(xīn)的高度。

MIMO在4G基站中(zhōng)已經開始應用(yòng)了。但是至今為(wèi)止,MIMO僅在實驗室和有(yǒu)限的外場進行過測試。頻譜效率是每秒(miǎo)内一些用(yòng)戶所傳送的數據比特數,早期的測試中(zhōng),頻譜效率确實得到了很(hěn)大提高。

mMIMO對未來的5G來說非常關鍵。然而,安(ān)裝(zhuāng)這麽多(duō)天線(xiàn)來處理(lǐ)移動話務(wù)也會帶來很(hěn)大幹擾,這就是為(wèi)什麽5G基站必須使用(yòng)波束賦形技(jì )術。

波束賦形(Beamforming)

采用(yòng)波束賦形,基站可(kě)以采用(yòng)更有(yǒu)效的傳送通路将數據發送給特定用(yòng)戶,從而降低周圍用(yòng)戶間的幹擾。不同形勢(situation)和技(jì )術下,5G網絡實現波束賦形的方法也不同。

波束賦形可(kě)以幫助mMIMO陣列更有(yǒu)效地利用(yòng)頻譜。mMIMO的主要挑戰是同時采用(yòng)多(duō)個天線(xiàn)收發數據時需要降低幹擾。mMIMO基站上,信号處理(lǐ)算法為(wèi)每個用(yòng)戶挑選最優空口傳輸路徑。然後,在不同方向上發送數據時,可(kě)以采用(yòng)精(jīng)确協調好的模式來控制建築物(wù)和其它物(wù)體(tǐ)間的信号傳送通路。通過對數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(duō)個用(yòng)戶和天線(xiàn)可(kě)同時交換更多(duō)的信息。

對于毫米波來說,波束賦形主要用(yòng)于解決信号易于受物(wù)體(tǐ)阻擋和路徑衰減較快的問題。這種情況下,波束賦形有(yǒu)助于将信号集中(zhōng)在指向用(yòng)戶方向的波束上,而不是同時在多(duō)個方向上進行廣播。這種方法可(kě)以增強信号完整到達的機會,降低其它方向上的幹擾。

5G系統中(zhōng),采用(yòng)毫米波可(kě)以增強速率,采用(yòng)mMIMO可(kě)以提高頻譜效率。除此之外,由于全雙工(gōng)可(kě)以改變天線(xiàn)收發數據的路徑,因此工(gōng)程師還嘗試采用(yòng)全雙工(gōng)來獲取更高的吞吐量和較低的時延。

全雙工(gōng)

基站和手機可(kě)以采用(yòng)相同頻率進行信息接收和發送,但是收發信機需要進行轉換(taketurns)。當然,如果用(yòng)戶想要同時收發信息,也可(kě)以采用(yòng)不同的頻率。

5G系統中(zhōng),采用(yòng)全雙工(gōng)技(jì )術,可(kě)以采用(yòng)同一頻率同時進行數據的收發工(gōng)作(zuò),它可(kě)以将物(wù)理(lǐ)層速率提高一倍。就像兩個人同時說話但是都能(néng)夠相互聽懂一樣。

一些戰争中(zhōng)已經利用(yòng)笨重的設備來進行全雙工(gōng)通信了。但是要在個人設備上實現全雙工(gōng)通信還需要努力。比如,在天線(xiàn)同時收發數據時,研究人員必須設計一個電(diàn)路來實現進/出信号的選路,以避免它們之間的碰撞。

實現全雙工(gōng)的難度在于電(diàn)波傾向于采用(yòng)同一頻率在前向和後向進行傳送,即互易性準則。但是最近,專家們已經組合矽晶體(tǐ)作(zuò)為(wèi)高速轉換器來進行信号轉換,使它們能(néng)夠在相同頻率上同時進行信号的收發工(gōng)作(zuò)。

全雙工(gōng)的一個缺點就是它會産(chǎn)生幹擾信号,形成煩人的回聲。當發射機發射信号時,信号與終端的天線(xiàn)很(hěn)近,因此比它所接收到的所有(yǒu)信号都要強。期望天線(xiàn)同時收發就需要采用(yòng)特殊的回聲抵消技(jì )術。

采用(yòng)上述這些5G關鍵技(jì )術以及其它技(jì )術,工(gōng)程師們希望建立無線(xiàn)網絡來為(wèi)智能(néng)機用(yòng)戶、VR遊戲以及自動駕駛等業務(wù)來提供服務(wù)。研究人員和運營商(shāng)對5G提供低時延高速率服務(wù)充滿期待,如果他(tā)們能(néng)夠解決剩餘的一些挑戰,并指出如何将這些關鍵技(jì )術融合在一起,則超速5G業務(wù)在未來的5年内一定可(kě)以到達消費者手中(zhōng)。

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