解析｜5G的超高网速是如何实现的

解析｜5G的超高网速是如何实现的  智能前沿技术 2019-05-11 09:25:01
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5G eMBB实现之『道』
增强型移动宽带(eMBB)，是现阶段5G最重要的发展方向，也是我们看得见摸得着的未来。
在5G基站下，国际电联的愿景是单小区可达20Gbps的速率。而在巴塞展上，国内的5G先锋中兴通讯曾经演示过惊人50Gbps峰值下载速率！

▲中兴通讯的5G演示
在这一切的背后，到底是何方神圣，能拥有如此大的能量？
这就要从“道”和“术”两方面来理解。“道”可认为是提供支撑的理论基础，“术”就是在此之上的实现方法。
两千五百年前，中国伟大的思想家老子曾说过：“道生一，一生二，二生万物”。那么到底什么是道呢？老子又说：“道可道，非常道”。
老子说得没错，但尽管“道”难以说清，还是有人为此孜孜不倦。70年前，美国的克劳德•香农发表了一篇划时代的论文《通信的数学理论》，从而成为了无线通信理论的奠基人，“道”终于“可道”了。

▲香农
香农公式，精确地描述了决定通信系统容量的几个因素和它们之间的关系。作为移动通信之“道”，2G，3G，4G要遵从，5G照样不例外。

▲香农公式
这个公式看起来非常的狰狞可怕，我们如果能鼓起勇气硬着头皮看一遍的话，就会发现，系统容量和信道带宽成正比，或者说，信道带宽越大，系统容量就越大！容量大了，不就是上网速度快了么？
5G的设计者也是这么想的：大幅提升网络速率，增加信道带宽是第一要务。那么，就从4G的20M带宽提升到100M，甚至400M吧！
可是常用的频段都让2G/3G/4G给占了，连WiFi也占了一大段，留给5G的已经不多。巧妇难为无米之炊，这可怎么办？
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5G 毫米波的引入
于是，5G将眼光投向一片新的处女地。这里不但带宽丰沛，而且大部分都空闲着，正好为5G施展拳脚所用，真是一片流着蜜与奶的好地方。

▲5G毫米波候选频谱
这片处女地就是“毫米波”，又叫5G高频，一般指频率在30GHz到300GHz这段范围内的频谱，相对于传统的Sub6G来说频率要高得多，频率越高波长越短。

▲频率越高，波长越短
根据电磁波的“波长λ=光速C ÷ 频率f”这个公式可以得出，该段频谱的波长在1毫米到10毫米之间，因此得名“毫米波”，又叫mmWave，实际5G所用的毫米波下限是24GHz。
下图是5G毫米波的候选频段，可以看出，相比于拥挤的Sub6G频谱（2G/3G/4G/WiFi都在这一段狭窄的范围内），毫米波的频谱资源简直是太丰富了！就这还只是毫米波频段的一小部分而已。

、▲5G毫米波的带宽极为丰沛
目前标准确定的5G毫米波频谱叫FR2 (Frequency Range 2)集中在24GHz到29GHz这5G带宽，也基本可以满足5G初始部署阶段的需求了。

▲标准化的5G毫米波频谱
既然毫米波的资源这么丰富，为什么现在2G/3G/4G都非要挤在低频Sub6G不可，甚至5G也首先在Sub6G来部署？
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毫米波的致命弱点
这是因为毫米波有致命的弱点——覆盖差。
电磁波的在空气中的传播有个特点，就是频率越高，损耗越快，绕射，穿透能力越差。典型的损耗分类有下面这几种：
1. 自由空间路径损耗：由于信号能量在自由空间的扩散，在传播了一定距离后，信号能量会发生衰减，功率损耗量和频率的平方成反比。举例来说，也就是频率增大3倍，损耗就会增加9倍！

▲频率越高，自由空间损耗越大
2. 绕射损耗：电磁波传播过程中由障碍物引起的附加传播损耗。频率越高，绕射能力越差，绕射损耗越高。

▲频率越高，绕射损耗越大
3. 穿透损耗：电磁波传播过程中，穿透建筑，花草树木等障碍物产生的损耗。频率越高，穿透能力越差，穿透损耗越高。

▲频率越高，穿透损耗越大（穿透树木）

▲频率越高，穿透损耗越大（穿透建筑）
4. 雨衰损耗：电磁波信号因大气中的雨、雪、冰的吸收，散射等现象导致信号减弱的现象。通常频率越高，衰减越大。

▲5G毫米波受天气的影响非常严重
信号在空间中的传播是上述几种衰减方式的总和。如果用低频2.6GHz和高频28GHz进行对比，在信号传播路径相同的情况下，经历的衰减如下图所示。

▲5G毫米波经历的层层损耗
毫米波28GHz由于频率高，每一步经历的衰减都要比2.6GHz多得多：
① 自由空间损耗：多20dB；
② 绕射损耗：多10dB；
③ 树木穿透损耗：多8dB；
④ 房屋穿透损耗：多14dB；
⑤ 室内传播损耗：多5dB。
把这些值加起来，可以得出：同样的发射功率，经历同样的传播路径，最终用户收到28GHz的信号是2.6GHz信号强度的百万分之一！

▲和2.6GHz相比，毫米波的传播损耗非常大
毫米波的覆盖这么差，看来这片“流着奶与蜜的处女地”确实不是那么好开发。但其大带宽高速率的诱惑是无法抗拒的，因此在使用中就必须扬长避短。
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5G 毫米波的部署之『术』
首先，怎么扬长呢？最重要的方式是：
波束赋形
一般情况下，天线单元使用半个波长效率最高，因此电磁波的波长越短，所需要的发射和接收天线单元也就越小。

▲频率越高，电磁波的波长越短，所需要的发射和接收天线单元也就越小
而毫米波的特点正是波长短，所以天线的尺寸可以很小，在同样的面积下可以容纳更多的天线。通过调整天线阵列的基本单元的参数，使得某些角度的信号获得增强干涉，而另一些角度的信号获得抵销干涉，从而使信号在特定的方向上增强，这就是波束赋形。

▲频率越高，天线数量越多，赋形效果越好
波束赋形能力取决于天线单元的个数，个数越多，波束越窄，越能波束集中能量对准用户，提升覆盖规避干扰，赋形效果也就越好。
下图中的5G毫米波设备含有256个天线单元，每64个为一组，通过波束赋形来生成窄波束，因此该设备一共能提供4个波束来进行高速服务。这种实现方式是目前毫米波设备的主流。

▲真实的5G毫米波设备
有了波束赋形的加持，毫米波的一个个窄波束可以集中能量，精确对准并跟踪用户移动，带来更好的用户体验并降低干扰。

▲波束赋形在工作
下面再说下5G毫米波是怎么避短的。
1. 微站超密组网
首先，宏覆盖就别想了，要宏覆盖找低频去。咱毫米波就安心做微站和室内站，覆盖热点区域和室内就好，毕竟这些地方人多，流量需求大，更需要5G。

▲毫米波更适用于微站覆盖
如果有区域的流量需求持续升高，从热点变成了沸点，甚至到达了爆点，毫米波的覆盖距离虽然近，但可以布地密一点，再密一点，成为超密组网。

▲5G毫米波超密组网
2. 高低频宏微协同组网
为了弥补毫米波的覆盖问题，还可以和低频Sub6G协同组网，同时使用两个频段，低频负责控制面，高频负责用户面，这样既可以进行无感知的小区切换，还能享用高频带来的极致速率。

▲5G高低频宏微协同组网
总之就是，毫米波是5G实现eMBB业务的杀手锏。虽然毫米波有很大缺点，但只有优点够突出，这些缺点都是可以用各种各样的技术方案来弥补的。
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