都知道5G有超高下載速率,是怎么做到的?
在5G基站下,國際電聯(lián)的愿景是單小區(qū)可達(dá)20Gbps的速率。而在巴塞展上,國內(nèi)的5G先鋒中興通訊曾經(jīng)演示過驚人50Gbps峰值下載速率!
5G eMBB實(shí)現(xiàn)之道
增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB),是現(xiàn)階段5G最重要的發(fā)展方向,也是我們看得見摸得著的未來。在5G基站下,國際電聯(lián)的愿景是單小區(qū)可達(dá)20Gbps的速率。而在巴塞展上,國內(nèi)的5G先鋒中興通訊曾經(jīng)演示過驚人50Gbps峰值下載速率!
在這一切的背后,到底是何方神圣,能擁有如此大的能量?
這就要從“道”和“術(shù)”兩方面來理解?!暗馈笨烧J(rèn)為是提供支撐的理論基礎(chǔ),“術(shù)”就是在此之上的實(shí)現(xiàn)方法。兩千五百年前,中國偉大的思想家老子曾說過:“道生一,一生二,二生萬物”。那么到底什么是道呢?老子又說:“道可道,非常道”。
老子說得沒錯(cuò),但盡管“道”難以說清,還是有人為此孜孜不倦。70年前,美國的克勞德?香農(nóng)發(fā)表了一篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文《通信的數(shù)學(xué)理論》,從而成為了無線通信理論的奠基人,“道”終于“可道”了。
香農(nóng)公式,精確地描述了決定通信系統(tǒng)容量的幾個(gè)因素和它們之間的關(guān)系。作為移動(dòng)通信之“道”,2G,3G,4G要遵從,5G照樣不例外。
這個(gè)公式看起來非常的猙獰可怕,我們?nèi)绻芄钠鹩職庥仓^皮看一遍的話,就會(huì)發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)容量和信道帶寬成正比,或者說,信道帶寬越大,系統(tǒng)容量就越大!容量大了,不就是上網(wǎng)速度快了么?
5G的設(shè)計(jì)者也是這么想的:大幅提升網(wǎng)絡(luò)速率,增加信道帶寬是第一要?jiǎng)?wù)。那么,就從4G的20M帶寬提升到100M,甚至400M吧!可是常用的頻段都讓2G/3G/4G給占了,連WiFi也占了一大段,留給5G的已經(jīng)不多。巧婦難為無米之炊,這可怎么辦?
5G毫米波的引入
于是,5G將眼光投向一片新的處女地。這里不但帶寬豐沛,而且大部分都空閑著,正好為5G施展拳腳所用,真是一片流著蜜與奶的好地方。
這片處女地就是“毫米波”,又叫5G高頻,一般指頻率在30GHz到300GHz這段范圍內(nèi)的頻譜,相對于傳統(tǒng)的Sub-6GHz來說頻率要高得多,頻率越高波長越短。
根據(jù)電磁波的“波長λ=光速C÷頻率f”這個(gè)公式可以得出,該段頻譜的波長在1毫米到10毫米之間,因此得名“毫米波”,又叫mmWave,實(shí)際5G所用的毫米波下限是24GHz。
下圖是5G毫米波的候選頻段,可以看出,相比于擁擠的Sub-6GHz頻譜(2G/3G/4G/WiFi都在這一段狹窄的范圍內(nèi)),毫米波的頻譜資源簡直是太豐富了!就這還只是毫米波頻段的一小部分而已。
目前標(biāo)準(zhǔn)確定的5G毫米波頻譜叫FR2(Frequency Range 2)集中在24GHz到29GHz這5G帶寬,也基本可以滿足5G初始部署階段的需求了。
既然毫米波的資源這么豐富,為什么現(xiàn)在2G/3G/4G都非要擠在低頻Sub-6GHz不可,甚至5G也首先在Sub-6GHz來部署?
毫米波的致命弱點(diǎn)
這是因?yàn)楹撩撞ㄓ兄旅娜觞c(diǎn)——覆蓋差。
電磁波的在空氣中的傳播有個(gè)特點(diǎn),就是頻率越高,損耗越快,繞射、穿透能力越差。典型的損耗分類有下面這幾種:
1. 自由空間路徑損耗:由于信號能量在自由空間的擴(kuò)散,在傳播了一定距離后,信號能量會(huì)發(fā)生衰減,功率損耗量和頻率的平方成反比。舉例來說,也就是頻率增大3倍,損耗就會(huì)增加9倍!
2 .繞射損耗:電磁波傳播過程中由障礙物引起的附加傳播損耗。頻率越高,繞射能力越差,繞射損耗越高。
3. 穿透損耗:電磁波傳播過程中,穿透建筑,花草樹木等障礙物產(chǎn)生的損耗。頻率越高,穿透能力越差,穿透損耗越高。
4. 雨衰損耗:電磁波信號因大氣中的雨、雪、冰的吸收,散射等現(xiàn)象導(dǎo)致信號減弱的現(xiàn)象。通常頻率越高,衰減越大。
信號在空間中的傳播是上述幾種衰減方式的總和。如果用低頻2.6GHz和高頻28GHz進(jìn)行對比,在信號傳播路徑相同的情況下,經(jīng)歷的衰減如下圖所示。
毫米波28GHz由于頻率高,每一步經(jīng)歷的衰減都要比2.6GHz多得多:
① 自由空間損耗:多20dB;
② 繞射損耗:多10dB;
③ 樹木穿透損耗:多8dB;
④ 房屋穿透損耗:多14dB;
⑤ 室內(nèi)傳播損耗:多5dB。
把這些值加起來,可以得出:同樣的發(fā)射功率,經(jīng)歷同樣的傳播路徑,最終用戶收到28GHz的信號是2.6GHz信號強(qiáng)度的百萬分之一!
毫米波的覆蓋這么差,看來這片“流著奶與蜜的處女地”確實(shí)不是那么好開發(fā)。但其大帶寬高速率的誘惑是無法抗拒的,因此在使用中就必須揚(yáng)長避短。
5G毫米波的部署之術(shù)
首先,怎么揚(yáng)長呢?最重要的方式是:
波束賦形
一般情況下,天線單元使用半個(gè)波長效率最高,因此電磁波的波長越短,所需要的發(fā)射和接收天線單元也就越小。
而毫米波的特點(diǎn)正是波長短,所以天線的尺寸可以很小,在同樣的面積下可以容納更多的天線。通過調(diào)整天線陣列的基本單元的參數(shù),使得某些角度的信號獲得增強(qiáng)干涉,而另一些角度的信號獲得抵銷干涉,從而使信號在特定的方向上增強(qiáng),這就是波束賦形。
波束賦形能力取決于天線單元的個(gè)數(shù),個(gè)數(shù)越多,波束越窄,越能波束集中能量對準(zhǔn)用戶,提升覆蓋規(guī)避干擾,賦形效果也就越好。
下圖中的5G毫米波設(shè)備含有256個(gè)天線單元,每64個(gè)為一組,通過波束賦形來生成窄波束,因此該設(shè)備一共能提供4個(gè)波束來進(jìn)行高速服務(wù)。這種實(shí)現(xiàn)方式是目前毫米波設(shè)備的主流。
有了波束賦形的加持,毫米波的一個(gè)個(gè)窄波束可以集中能量,精確對準(zhǔn)并跟蹤用戶移動(dòng),帶來更好的用戶體驗(yàn)并降低干擾。
下面再說下5G毫米波是怎么避短的。
1. 微站超密組網(wǎng)
首先,宏覆蓋就別想了,要宏覆蓋找低頻去。咱毫米波就安心做微站和室內(nèi)站,覆蓋熱點(diǎn)區(qū)域和室內(nèi)就好,畢竟這些地方人多,流量需求大,更需要5G。如果有區(qū)域的流量需求持續(xù)升高,從熱點(diǎn)變成了沸點(diǎn),甚至到達(dá)了爆點(diǎn),毫米波的覆蓋距離雖然近,但可以布地密一點(diǎn),再密一點(diǎn),成為超密組網(wǎng)。
2. 高低頻宏微協(xié)同組網(wǎng)
為了彌補(bǔ)毫米波的覆蓋問題,還可以和低頻Sub-6GHz協(xié)同組網(wǎng),同時(shí)使用兩個(gè)頻段,低頻負(fù)責(zé)控制面,高頻負(fù)責(zé)用戶面,這樣既可以進(jìn)行無感知的小區(qū)切換,還能享用高頻帶來的極致速率。
總之就是,毫米波是5G實(shí)現(xiàn)eMBB業(yè)務(wù)的殺手锏。雖然毫米波有很大缺點(diǎn),但只有優(yōu)點(diǎn)夠突出,這些缺點(diǎn)都是可以用各種各樣的技術(shù)方案來彌補(bǔ)的。