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彻底了解毫米波:驾驭它,就算掌握5G终极武器

2019-03-30 12:11:23 来源:ithome
从今年开始如果你想换手机,那么5G将是一个难以回避的问题。作为被普遍认为将变革社会生活方方面面的下一代无线通信技术,5G将凭借超高的无线网络的速度、覆盖范围和响应能力在未来迸发出无限能量。

5G相比以往4G的优势有很多,不过最重要、普通消费者最关心的,恐怕还是突破想象的传输速率了。但是不知大家有没有想过,5G的速度为何能实现10倍甚至100倍的提高?其实这背后涉及一个关键技术:毫米波。

事实上,IT之家小编在此前的文章中也曾提到过毫米波的相关技术,但并没有深入讲解,那么今天,小编不妨就带大家近距离认识一下毫米波。

一、毫米波究竟是什么,为什么这么重要?

前面我们说到,“高传输速率”是5G的一项关键技术指标。那么怎样提高传输速率呢?

首先我们明确,这里的传输速率,即单位时间里通过信道的数据量。在通信行业,关于信道传输速率,有这样一个公式:

n=Rb/B

这个公式中,n为频带利用率,Rb为信道传输速率,B则为系统带宽。将这个公式变一下:

Rb=n×B

不难看出,传输速率和频带利用率以及系统带宽为正向关系,当频带利用率越高,传输速率越高;系统带宽越高,传输速率也越高。这就说明,要想提高信道传输速率,就有提高频带利用率和系统带宽两种方法。

OK,确立了这两种方法后,我们先放一放,来复习一下无线通信的一些基本概念,这样才能对这两种方法有更深的理解。

我们所说的无线通信,就是利用无线电磁波进行通信,翻中学的物理课本,我们还能找到那张熟悉的图:

上面这张图是电磁波谱,它是按照电磁波的频率顺序进行排列而画出来的。频率,是电磁波的重要属性。

中学物理老师曾经带着我们研究的是可见光部分,而在无线通信领域,主要研究的是图中绿色框线框起来的部分。

我们知道,无线通信的基本原理是将声画信息变换为含有声画信息的电信号,再把电信号“寄载”在比该信号频率高得多的高频振荡信号上去,然后用发射天线以无线电波的形式向周围传播。

▼打个比方,整个无线电磁波的频段就像一条“大路”,其中的高频振荡波(载波)就像运载工具。

▲图片来源:Wikipedia

前面说了,频率是电磁波的重要特性,不同频率的电磁波有不同的特性,也就意味着有不同的用途,所以我们在电磁波这条“大路”上进一步划分车道,分配给不同的对象和用途。具体的划分比较复杂,我们用下面这张表来展示:

以往的移动通信,主要走的是“中频”到“超高频”这段道路。在这段路上给各个国家运营商划分使用的频段,就是我们所说的频谱划分。例如4G lTE标准中我们国家划分的主要是超高频的一部分频谱资源。并且有一个趋势:从1G到2G、3G再到4G,划分的电波频率越来越高。这其实是为了满足更高传输速率的需要。

刚才我们说到这条“大路”,其中的一个载波就像运载工具,而载波载着信号,经历编码、调制、发送、媒介传输、接收、解码、译码的整个路径,就是我们广义所说的信道,就像是一辆汽车从出发地到目的地的行进轨迹,而信号,就是在信道中传输的。具体的传输方式,是以码元(symbol)的形式传输。

好,这时我们回到前面说的频带利用率。什么是频带?对于信道来讲,就是允许传送的信号的最高频率与最低频率之间的频率范围。提高频带利用率,简单说就是让信道中单位时间里引入更多的码元,从而提升速率。

但是这样做也有不足。具体是怎么回事呢?简单说一下。信号的调制是通过操纵无线电波的幅度和相位来形成载波的不同状态,当调制方式由简单到多进制时,载波状态数增加,就表示一个码元代表的信息量增加了。码元增加,一个码元代表的信息量增加,但是载波的幅度不变,那么每个码元状态之间的间距变小了,所以容易受到噪声干扰而令码元偏离原本应该在的位置,造成解码出错,同时功耗也会增大。

▲由简单调制到复杂调制的状态图

听起来略复杂,没关系,大家只要知道其实频带利用率不是越高越好就行。所以,人们很自然地将目光转向另一个更简单粗暴的方法——提高频谱系统带宽。

但问题是目前常用的6GHz以下的频段已经基本没有更多的资源可利用了(到4G时代已经非常拥挤)。5G时代怎么办呢?这时候,人们想到了过去一直没太关注的毫米波频段。

毫米波就位于微波与远红外波相交叠的波长范围,其实它也是兼有两种波谱特点的。

于是,在3GPP 38.101协议的规定中,5G NR主要使用两段频率:FR1频段和FR2频段。FR1频段的频率范围是450MHz——6GHz,又叫Sub 6GHz频段;FR2频段的频率范围是24.25GHz——52.6GHz,也就是我们这里所说的毫米波(mmWave)。

回到前面的那张表,可以看到,毫米波的波长在1mm-10mm之间,频率则约为30GHz-300GHz。当然,3GPP规定中是从24.25GHz开始,根据

波长=光速/频率

这个公式可知,它的波长是12.37毫米,也可以叫厘米波,其实这里的定义并不是非常严格。

毫米波的最大特点是频率很高,但是,在30-300GHz之间也不是所有频段都可以随意使用的,因为有些频段效能比较差,所以目前很难被使用。3GPP协议38.101-2 Table 5.2-1中,为5G NR FR2波段定义了3段频率,分别是:

n257(26.5GHz~29.5GHz);

n258(24.25GHz~27.5GHz);

n260(37GHz~40GHz);

它们都使用TDD制式。美国FCC则建议5G NR使用24-25 GHz (24.25-24.45/24.75-25.25 GHz)、32GHz (31.8-33.4 GHz)、42 GHz (42-42.5 GHz)、48 GHz (47.2-50.2 GHz)、51 GHz (50.4-52.6GHz)、70 GHz (71-76 GHz)和80 GHz(81-86 GHz)这几个频段。例如Verizon和AT&T已经将目光瞄准了28 GHz和39 GHz频谱的很大一部分,芯片巨头高通在16年推出的第一款5G调制解调器骁龙X50也支持28GHz频段的5G运行。

我们以28GHz和60GHz频段为例,通信领域有一个原理,无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%,所以两者对应的频谱带宽分别为1GHz和2GHz,而4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下,频谱带宽只有100MHz,毫米波的带宽相当于4G的10倍,这是一个有待开发的蓝海。

 

这也就是未来5G信号传输速率会有极大提升的原因。

除了速率高,毫米波还有不少其他的好处。首先是,毫米波的波束很窄,相同天线尺寸要比微波更窄,所以具有良好的方向性,能分辨相距更近的小目标或更为清晰地观察目标的细节。

关于这一点,这里要展开一下,后面也会讲到。

可能有同学会问,什么是波束?

小编打个比方,在黑暗中打开手电筒,光线照射的区域就很像波束。因为在空间传播过程中,无线信号的质量会出现衰减,但是它的能量传播仍然是有方向的,这就形成了波束。就像手电筒有照射方向,光线会在这个方向的两侧逐渐分散,通信领域里,开始下降固定功率的两侧形成的夹角,就是波束的宽度。

波束宽度和天线增益有关,所谓天线增益,简单理解就是天线能将能量集中到一定方向的能力,就像手电筒能将灯泡光线多大程度聚集到一起的能力。一般天线增益越大,波束就越窄,这很好理解。

那天线增益和什么有关呢?答案是波长。关于天线增益有一个公式:

G表示天线增益,Ae表示天线有效孔径。从这个公式中能够看出来,波长越短,天线增益越大,波束就越窄。毫米波的波长很短,也就造成了它的窄波特性。

这里说到天线,顺便说一下,根据通信原理,天线长度与波长成正比,比例大约是1/10~1/4,毫米波的波长在毫米级,对应的天线也就更短了,所以,在手机中使用毫米波技术,天线尺寸也可以更小。

当然,具体它们的关系还很复杂,小编只是大致梳理了一下关系,深入地就不方便继续展开了。

毫米波还有一个特点,就是传输质量高。这主要是由于它的频率非常高,所以毫米波通信基本上没有什么干扰源,电磁频谱极为干净,信道非常稳定可靠。

另外毫米波的安全性也比较高,因为毫米波在大气中传播受氧、水气和降雨的吸收衰减很大,点对点的直通距离很短,超过距离信号就会很微弱,这增加了被窃听和干扰的难度。刚才说到毫米波波束窄,副瓣低,这也让它很难被截获。

毫米波可以极大提升无线通信传输速率,这已经足够诱人,并且还有这些附带的优势,那么为什么这么多年一直没有被商用在手机通信领域中呢?这是因为,毫米波也有一些天然的缺陷,所谓硬币的两面,同样的特性,有优势,也有不足,这些不足很多年来令人们对毫米波的商用“望洋兴叹”。

毫米波最主要的不足,就是传输性能比较差,这体现在三个方面:

第一是这些频谱传得不太远,比如在全向发射时,这些频谱的能量发散比较快,容易衰弱,无法传播到很远;

第二是绕射能力差,容易被楼宇、人体等阻挡、反射和折射,这很容易理解,想一个极端的例子,可见光,可见光的波长比毫米波更短,频率更高,它就很难穿过大部分物体;

第三是毫米波还受限于很多空间因素,其中一个主要因素就是水分子对于这些频谱的吸收程度很高,比如这些频谱在下雨时、穿过树叶、穿过人体时,它们衰弱非常快。

还有一个原因是,生产能工作于毫米波频段的亚微米尺寸的集成电路元件在过去一直比较困难,需要比较大的金钱投入,这样阻碍了它的商用。

二、毫米波虽难用,但也有办法驾驭

毫米波具有上面这些缺陷,所以过去很长一段时间里难以商用。不过随着通信技术的发展,目前行业已经有比较成熟的驾驭毫米波的方法。这里主要有波束成形技术、大规模MIMO(Massive MIMO)天线技术等。

这一部分我们就来介绍一下克服毫米波缺陷、并使其能够应用于消费场景的技术。

首先是大规模天线技术。前面我们在讲解毫米波波束宽度的时候说到毫米波波长很窄,其实,毫米波波长很短影响了天线增益,也间接影响接收功率功率。

上面这个公式是空间自由传播模型(理想传播模型)的接收天线功率计算公式,结合我们前面提到的天线增益计算公式,可以看到,当发射端的发射功率和天线增益固定时,接收端的接收功率与天线有效孔径成正比关系,与发射天线和接收天线之间的距离的平方成反比。

所以波长对天线孔径尺寸的影响,也会间接影响到功率。相比较以往运用的厘米波甚至更长的波段,毫米波波长更短,信号衰减严重,导致接收天线接收到的信号功率减少。而接收端的功率减少,显然是不行的。

这种情况下,我们不能随意增加功率,因为国家对天线的功率有限制,减少发射天线和接收天线之间的距离也是不现实的,毕竟人拿着手机是在不断运动状态中的,所以,人们想到一个解决方法:增加发射天线和接收天线的数量。

大规模MIMO技术就是基于这种思路产生,它还有一个名字,叫“多进多出”(Multiple-Input Multiple-Output),多根天线发送,多根天线接收。

其实多输入多输出MIMO技术不是新技术,传统的TDD网络可以实现2天线、4天线甚至8天线的多进多出,而在5G的大规模MIMO理念下,理论上天线数量可以是成百上千个,考虑到成本等各种因素,现阶段主要是64/128/256个。

大规模MIMO技术下,主要的优点自然是在单根天线功率很低的情况下依然能获得很好的信号质量,因为有很多天线同时发力,在波束成型技术(接下来会讲)的支持下令信号叠加增益,从而满足系统的功率需要,同时也避免了使用大动态范围功率放大器带来的硬件成本。

另外一个重要优势是增加了通信容量。大规模MIMO具备波束空间复用的特性,充分利用空间传播中的多径分量,在同一频带上使用多个数据信道(MIMO子信道)发射信号,从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。

大规模MIMO系统中,基站天线数增多,形成阵列,除了水平方向外,还可以在垂直方向上进行波束成形和波束导向,从而提升整个空间的覆盖,并且利用波束成型技术能够把所传输的信号集中到空间的一个点上,让基站能够精确分辨每一个用户,从而提高了空间分辨能力。

在大规模MIMO技术中,我们反复提到一个技术,就是波束成型,这项技术可以说是大规模MIMO的基础技术。前面我们有讲到,毫米波的波束很窄,而且在全向发射时,会出现高达几十dB的信号衰减损耗,导致传播距离有限。

而波束成型技术,主要思路就是用一张“手”,将散开的波束集中起来,不扩散不浪费,形成定向发射,具体来说就是通过调节各天线的相位使信号进行有效叠加,产生更强的信号增益来克服损耗,从而让发射能量可以汇集到用户所在位置。

如此一来,有了波束成型技术,指哪打哪岂不是美滋滋?

不不不,其实这样也有缺点,就是它不像全向发射,一旦波束的指向偏离用户,用户反而接收不到高质量的无线信号。面对这种问题,除了大规模MIMO,还需要结合波束管理技术来解决。

波束管理技术具体实现方式很复杂,但简单来说,就是在大规模MIMO的众多波束中,以最快的速度找到基站和目标用户之间最佳的发射波束和接收波束,从而大大提高波束对准的精度。

在这里举个例子,高通去年推出的QTM052毫米波天线模组,就支持大规模MIMO和波束成型技术,在该模组中,高通利用多个天线形成相控天线阵列,天线之间的信号经过互相干涉影响,能把信号能量集中在一个方向发射出去;同时它们不再使用全向发射,而是选择定向发射,从而使得能量能够传输得更远,以提高覆盖。

在此基础上高通还使用了波束导向技术和波束追踪技术,能够更智能地追踪传输对象,控制波束的方向。

三、毫米波,应用场景比拟想象中更广

说了这么多毫米波的特性,以及将它商用的技术,其实最终目的就是两个字——用它。

事实上,毫米波在未来的应用场景可能超出想象。首先,毫米波的特性决定了它可以主要被应用在大带宽、高容量的场景,面向高频段的eMBB场景,可用于人口密度大、网络容量需求大的热点区域。

首先,毫米波很适合在大型场馆如音乐会、体育馆等人口密集区域进行部署,可以带来数千兆比特的速率以及低时延和无限容量的体验,以往在万人体育场观看演出时手机信号几乎为零、上不了网的情况不会再有,可以为观众带来独有的个性化体验。

这里有一点小编需要补充的,就是毫米波的波长很小,所以天线也可以做得很小,这样未来在5G毫米波部署时,在普通宏基站基础上一定会有很多微基站(就是小基站)得到部署,在城区街头、室内角落,你都有可能看到。

这样,毫米波就可以更好地在室内场景部署应用,这是它的强项,采用1:1或部分共址,实现媲美WiFi的上行和下行链路覆盖,还可以利用更大的带宽满足实现数千兆比特中指突发速率的需求,总之就是让你的上网体验更优质。

另外,毫米波还可用于固定无线宽带接入业务,满足典型如4K、8K电视的传输需求,满足市郊居民区的视频需求,一个典型的场景是家里购买一台CPE设备部署无线网络,然后即可通过电视联网观看高达8K的超高清视频,当然,前提是你有足够的流量。

未来,毫米波还可在汽车联网领域有很重要的应用,它可为联网汽车通信提供所需的更高数据传输速率与准确度,同时提高雷达作业的分辨率,实现更精准的驾驶安全辅助。

毫米波还有一个重要的应用领域,就是军事。其实毫米波在军事领域目前已经有应用,其丰富的频率资源不仅是宽带通信的重要手段,还提供了另一条抗干扰、抗截获的有效途径。不过这一点距离我们普通消费者就比较远了。

四、毫米波,已经在路上

说了这么多,大家是不是对毫米波在未来的应用越来越期待?或者说,对即将到来的5G时代越来越期待?

其实不用着急,从今年开始,第一批5G手机将陆续上市。例如在安卓阵营,他们绝大部分将采用高通骁龙855+骁龙X50 5G调制解调器的方案,前面我们也说过,骁龙X50是首款支持28GHz毫米波频段上数据连接的5G调制解调器芯片组,也就是说,在毫米波的应用上,高通已经早早给出了成熟可商用的解决方案。当然,正在今年的MWC2019期间,高通也发布了第二代5G射频前端解决方案,支持更纤薄、更高效的5G多模移动终端,其中包括新一代毫米波天线模组QTM525。

相信,随着5G商用部署进程的不断推进,5G终端在未来的上市,毫米波,将切切实实服务于我们日常的用网需求,甚至,毫米波的超强性能催生新鲜的终端设备,将为我们以往的生活娱乐和工作方式带来翻天覆地的变化。而这一天,在基础连接技术提供商、运营商以及终端厂商的合作努力下,正在一步一步地走来。

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