根據國際電信聯盟專家的預測,描述了5G時代移動互聯網的新形態,從信息論基本原理得出了更大帶寬是5G提速的核心手段的結論,以此為起點推演出5G時代將采用的毫米波、微基站、大規模MIMO、波束賦形等技術,并對中國引領全球5G市場的前景進行了分析。
互聯網改變了世界,移動互聯網重新塑造了生活,“在家不能沒有網絡,出門不能忘帶手機”已成為很多人的共同感受。人們對移動互聯網的要求是更高速、更便捷、更強大、更便宜,這種沒有止境的需求促使著移動互聯網技術突飛猛進,技術體制的更新換代也隨之越來越快。很多用戶剛剛踏入4G的門檻,按照國際電信聯盟關于2020年的規劃,5G時代很快就要來到了。
1.5G時代的展望
4G雖然比3G更快,但現階段的速率提升不過10倍左右,應用模式也沒有根本性的變化,其實并沒有給用戶帶來太深刻的感受。但是,5G的綜合性能將會比4G提升千倍,在這種超高速移動網絡的支撐下,將會誕生出許多全新的應用,會徹底改變移動互聯網的生態,那將是移動通信的一場革命。
5G速率將高達10Gbps,由于速率極快,高清視頻即點即播,“緩沖等待”將成為歷史。遠程互動的3D虛擬現實游戲將興起,畫質精美操控順暢,會帶給用戶身臨其境的全新感受。人均月流量大約有36TB,用戶不必擔心資費問題,雖然流量增加了上千倍,但總體資費并不會提高。
5G的入網設備將會大幅度增加,“萬物互聯”會成為5G的時代特征,鏡框、花盆、腰帶、冰箱、魚缸、飯碗、茶杯、沙發……所有能提供服務的設備都會入網,并可按需求進行智能控制。智能樓宇、智能家居、智能汽車、智能交通……智能移動互聯網將徹底改變你的生活方式。
健康領域也會發生革命性變化,手環將不再只是測心律血壓和跑步計數,而會成為身體健康指標的全面監控儀,實時動態的監測數據將會自動上傳匯集,不僅可用于病情診斷,還可以利用大數據技術對身體狀態進行分析和預測,提供精準的醫學建議。除了能進行信息采集和處理外,手環還可以進行介入式治療,甚至包括治療癌癥。
5G的最大特點并不是網速的進步,而是移動互聯網、智能傳感器、大數據技術三者結合產生的爆炸效應,這將是對傳統工業和互聯網業的一次顛覆性革命。
2.5G的技術路線
5G的核心技術并沒有被國際電信機構所確定,尚處在研究和探索階段,但移動通信的發展有著內在的規律性,其核心是以信息論為基礎的無線通信理論,從理論出發并結合需求進行分析,并不難探尋出5G技術的發展方向。
高速是5G的首要特征,根據香農的信道理論,提速最根本的方法就是增加帶寬,特別是成百上千倍的提速必須依賴更大的帶寬。提高頻率利用率雖然也是個辦法,但其潛力是很有限的,而伴隨著帶寬提高而帶來的等比例提速則是立竿見影的,大幅度增加帶寬才是提速的王道。
要大幅度增加帶寬則必須使用更高的頻段,4G的頻率在2GHz左右,5G頻率會更高。例如韓國積極推動6GHz以上頻段為未來IMT頻段,開發高頻段系統,俄羅斯專家甚至提出了80GHz頻段的設想。
5G的頻譜范圍正處于討論之中,這是世界無電線大會(WRC)的議題,雖然具體的數據還沒有確定下來,但頻譜更高帶寬更大的趨勢是明確的。頻率高了則波長變短,這就帶來了毫米波技術。
2.1 毫米波技術
毫米波常用在雷達和衛星領域,一般不用于移動通信領域,主要原因是隨著波長變短,無線電波傳播的直線性會增強。例如軍隊使用的無線電接力通信就是毫米波,它并不支持“動中通”,只能駐車后工作,而且必須精細調整天線的角度,使其電波的輻射方向正對著對方,否則就無法通信,直線傳播是毫米波通信必須解決的問題。
手機是移動使用的,不能打電話時還舉著手機對準基站的方向,雖然非正對方向也有信號,但強度會明顯衰弱,如果不做處理的話,使用體驗就會下降。
毫米波的繞射和穿透也是問題,在基站信號不能直達的樓房陰影處和大樓內部,信號就會非常微弱,這些問題都必須解決。
2.2 微基站技術
5G時代的入網設備數量會呈爆炸性的增長,單位面積內的入網設備可能會增至千倍,若延續以往的宏基站覆蓋模式,即使基站的帶寬再大也無力支撐,再加上前述的穿透和繞射能力下降的原因,導致基站微型化的趨勢成為了必然。
基站微型化則設置密度加大,為避免基站之間的頻譜互擾,基站的輻射功率譜就會降低,這使得手機的遠近效應不再明顯,手機開機時的功率控制步驟會簡化,而且手機的輻射功率也會降低,在相同能量的情況下待機時間會增加。
微基站數量大幅度增加后,傳統的鐵塔和樓頂架設方式將會擴展,路燈桿、廣告燈箱、樓宇內部的天花板,都將是微基站架設的理想地點。
2.3 大規模MIMO
根據天線理論,天線長度應與波長成正比,大約在1/10~1/4之間,當前手機的天線長線大約在幾厘米左右。而5G頻率在提升幾十倍后,相應的手機天線長度也會降低到以前的幾十分之一,會變成毫米級的微型天線。
多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個波長以上,手機的面積很小,如果是傳統的幾厘米長的天線,那多天線陣列是難以設置的。而隨著天線長度的降低,特別是5G時代的毫米尺寸天線,給大規模MIMO技術的實現帶來了可能。
以往的多天線技術更多地應用在抗干擾通信方面,使用多部天線接收同一信號,利用不同路徑干擾的非相關性,在接收端進行合并處理,通過提高信噪比的方法來實現抗干擾通信。而手機多天線所接收信號的路徑差異性不大,干擾的非相關性也不強,因此不太會用于抗干擾方面,而是會用在提高傳輸速率方面。
大規模MIMO其實就是基站與手機之間有很多對的信道并行通信,每一對天線都獨立傳送一路信息,經匯集后可成倍提高速率。5G更高頻率帶來天線尺寸縮短和更大帶寬帶來頻率復用,這兩點的變化為大規模MIMO的實現提供了技術實現的前提。
2.4 波束賦形技術
中國主導的3G國際標準TD-SCDMA有六大技術特點,其中有一項就是智能天線,在基站上布設天線陣列,通過對射頻信號相位的控制,使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄,并指向它所提供服務的手機,而且能根據手機的移動而轉變方向。
由全向的信號覆蓋變為了精準指向性服務,這種新形式的無線電波束不會干擾到其它方向的波束,從而可以在相同的空間中提供更多的通信鏈路,這種充分利用空間的無線電波束技術是一種空間復用技術,這種技術可以極大地提高基站的服務容量。
遺憾的是這項技術并沒在3G時代得到應用,但在5G入網設備數量成百上千倍增加的情況下,這種波束賦形技術所能帶來的容量增加就顯得非常有價值,波束賦形技術很可能成為5G的關鍵性技術之一。
因為新增了移動用戶位置的方向角參數,波束賦形技術不僅能大幅度增加容量,還可大幅度提高基站定位精度,并因此而擴展出非常多的定位增值服務。
2.5 同時同頻全雙工
手機是典型的雙工通信設備,常用的有頻分、時分和碼分等信道復用方式,而同時同頻全雙工技術與這些傳統的方式都不同,它是通過對信號收發信號的處理,使得雙工通信建立在同時同頻的基礎上,理論上可以提高一倍的信道容量。
前面已經分析過,通過提高帶寬的方式可等比例地提高信道容量,是最直接最有效的提速方式,但這是用大量的帶寬資源換來的,在技術上并沒有創新。而通過對發射信號的抵消處理,可在相同頻率同時接收更加微弱的信號,雖然這種方式只能提速一倍,但卻是意義重大的原始創新。
同時同頻全雙工技術若要實用化,對發射信號的衰減要達到120dB,而現在實驗室的記錄是90dB,這30dB的差距就是1 000倍的衰減量,而且越往后做難度就越大。這項技術雖然理論成立,但距離實用化還尚有距離,估計在5G時代前期應用不上。但不可否認的是,這是一項具有突破性的很有潛力的技術,非常值得研究和期待。
2.6 綜合分析
任何更新換代的關鍵性技術,都必須經歷過多年的研究,按規劃還有5年就要進入5G時代了,不太可能突然出現一個全新的技術并被吸納在5G的國際標準中,考察5G的技術發展脈絡還得從成熟技術中尋找答案。
在傳統的宏基站大覆蓋的情況下提速是非常困難的,20%的頻譜利用率的提升都是了不起的成就,而在5G時代的千倍提速要求面前,這種內部挖潛的方法是行不通的,只有通過大幅度的加大帶寬才有可能。
加大帶寬是起點,由此而產生的毫米波、微基站、大規模MIMO等都是順理成章的技術趨勢,只要把基站做得足夠小,其服務范圍變窄了,單個用戶獲得的資源就能足夠大,速度就可以提高到足夠快。
所以5G的任何一項關鍵技術都不會有革命性的突破,其上千倍綜合能力的提升,更多地是來自移動網絡的重新布局。
3.中國試圖引領世界
1997年4月,國際電信聯盟向世界各國發出征集函,征集第三代移動通信技術標準。中國為了打破在國際電信標準上沒有話語權,只能做世界工廠的困局,遞交了TD-SCDMA標準,經過舉國的努力,最終被國際電信聯盟吸納為3G技術標準之一,實現了歷史性突破,從此走上了力爭主導國際標準的道路。
進入4G時代后,分別有LTE FDD和TD-LTE兩個國際技術標準,中國政府選定了TD-LTE,并早于LTE FDD一年發放了牌照,目的就是為了發揮相對優勢,在引領國際電信業方面占據更大的主動。如果不采取這種策略,而是在歐洲相對更有優勢的LTE FDD標準后面跟跑,就會越追越追不上。
中國的電信業實力很強大,在全球四大電信設備商中中國企業就占了2家,華為第一中興第四,互聯網商也在飛速進步,聯想、小米等實力不容小覷,同時中國還是全球第一大消費市場。
掌控著全球最龐大的企業集團和最巨大的消費市場,這是中國政府具備的引領世界的硬實力,原來的TDD和FDD的份額之比是8:2,自從中國政府布局支持TD-LTE后,兩者的份額差距快速縮小。
2013年初,在政府部門的大力支持下,成立了面向5G移動通信研究與發展的IMT-2020推進組,明確了5G發展遠景、業務、頻譜與技術需求,研究5G主要技術發展方向及使能技術,形成5G移動通信技術框架,協同產學研用各方力量,積極融入國際5G發展進程,為2015年后全面參與5G移動通信技術標準制定打下堅實的技術基礎,中國是全球公認的推進5G最積極的國家之一。
中國在5G事業的提前布局,使之有望在未來的信息社會中更加深入地引領世界,而引領者會得到更多的市場回報,從而惠及到所有的本國公民,這個前景非常值得我們期待。
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