【導讀】隨著科學技術(shù)不斷發(fā)展,5G的研發(fā)投入越來越大,各個國家都在加緊對5G的部署與研發(fā),5G的發(fā)展關(guān)乎國家的經(jīng)濟發(fā)展是十分重要的研究方向。對于2018年的5G網(wǎng)絡(luò)來說,最重要的五大無線技術(shù)中的兩個——MIMO和波束成形——對5G網(wǎng)絡(luò)一直都非常重要。
MIMO和波束成形
對于LTE/4G,業(yè)界正接近于時間和頻率利用的理論極限。5G無線技術(shù)的下一步是利用空間維度,通過向不同方向發(fā)射嚴格聚焦的信號,盡可能頻繁地同時使用任何給定頻率。業(yè)界在將這兩項技術(shù)用于5G時,尚需克服挑戰(zhàn)。2017年,這兩個主題一直在進步和變化,2018年在這兩方面可能會看到更多。
圖1:5G將依靠天線陣列來提供大量輸入和大量輸出(或稱MIMO)。波束成形將信號引導到特定設(shè)備。(來源:T-Mobile)
MIMO描述了在發(fā)送端和接收端將越來越多的天線聚合進越來越密集的陣列,以創(chuàng)建更多的數(shù)據(jù)流層。同時,波束成形和與波束跟蹤緊密相關(guān)的技術(shù)是將每個信號引導到接收器的最佳路徑上,同時避免信號干擾。波束成形將使MIMO效率更高。
要應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),這兩種技術(shù)都需要做進一步改進。
物理上縮小天線尺寸仍困難重重;面向5G的MIMO陣列非常大(這是2020年之前,也許更晚,實際的5G智能手機都不太可能問世的原因之一)。大多數(shù)現(xiàn)存的陣列功耗仍太高,以致不完全實用。
圖2:信號必須沿著高度和方位角兩個維度去引導,使波束成形的任務(wù)復雜化。(來源:Qorvo)
波束成形的本質(zhì)正如其名,但該術(shù)語并沒有蘊含涉及的復雜性。在4G中,發(fā)射器對接收器進行三角定位。在5G中也是如此,但在5G中,發(fā)射器也將能映射物理環(huán)境,然后不僅計算多徑反彈,而且計算如何錯開信號流,而以不干擾同步信號的方式來利用多路徑。當發(fā)射器和接收器中的任一個或兩個都在移動時,任務(wù)變得更困難。
所有這些又都因5G無線的下一個重要方面中的額外固有技術(shù)挑戰(zhàn)而更加棘手。
毫米波(mmWave)
最初為5G分配的頻率在6GHz已擁擠不堪。世界各地不同司法管轄區(qū)最近分配給5G服務(wù)的頻譜大多分布于各毫米波頻率。
毫米波范圍是從30GHz到300GHz。世界范圍內(nèi)新的5G頻譜分配,范圍從20大幾GHz(例如26GHz和28GHz,它們技術(shù)上不是毫米波,但通常被歸入該類),到30~40GHz內(nèi)的幾個頻段和40~50GHz內(nèi)的幾個頻段。有一個60GHz的Wi-Fi頻段可用于5G無線。其它更高的頻率正在考慮中。
圖3:毫米波范圍(30GHz至300GHz)附近和以內(nèi)的頻譜特別適合于更高的數(shù)據(jù)速率,盡管有缺陷,但卻有吸引力。(來源:愛立信)
一方面,這些較高頻率的信號將支持5G規(guī)定的高得多的數(shù)據(jù)速率。為提高其迄今為止已設(shè)法實現(xiàn)的頻譜效率,業(yè)界仍然有工作要做。
另一方面,毫米波信號的傳輸速率明顯低于期望。毫米波信號及6GHz以下信號不能傳得很遠,也不能穿透障礙物。
一般來說,5G的許多元器件仍然昂貴,在毫米波頻譜尤其如此。隨著規(guī)模經(jīng)濟拉動并基于未來可能的創(chuàng)新,進一步的集成將使成本肯定下降。
在以前的無線網(wǎng)絡(luò)演進中,基本的目標任務(wù)是把數(shù)據(jù)送到手機。沒錯,這是從簡單的電話開始,并發(fā)展到增加寬帶接入;沒錯,其它類型的設(shè)備是由4G/LTE網(wǎng)絡(luò)支持的,但絕大多數(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)使用是向手機收發(fā)數(shù)據(jù)。這將隨著5G而改變。5G將成為許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的使能技術(shù),但同樣重要的是,這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將有助于證明5G演進的正確性。包括物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的用例實際上內(nèi)置于5G技術(shù)路線圖中,這是5G市場發(fā)展的內(nèi)在。
雖然許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將直接連接到5G,但其它的不會。許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將依賴大量簡單、便宜的傳感器或其它相對簡單的設(shè)備。這些設(shè)備可能要求低功耗或超低功耗;它們可能要求也可能不要求低延遲;它們可能需要也可能不需要彼此通信;它們產(chǎn)生(也可能收到)的數(shù)據(jù)量可能會因設(shè)備的不同而差異巨大;它們可能需要進行實時不間斷的輪詢,也可能一天、一周、甚至一月才輪詢一次。在許多這些應(yīng)用中,5G連接不僅是技術(shù)上的過度浪費,而且還太昂貴,以致于它們中有許多在經(jīng)濟上不可行。
這就是為什么下一個主題也對5G市場非常有用。
低功耗廣域網(wǎng)(LP-WAN)
在許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,大批設(shè)備將通過專門為LP-WAN設(shè)計的一些無線技術(shù)連接到基站,基站又將連接到高速高帶寬的網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)可能是5G,但不一定;4G連接有時就足夠了——3G有時候就可以。附近有有線接入也可以,它也許同樣有用(如果不是更理想的話);只是在很多地方,附近沒有有線網(wǎng)絡(luò),這就有利于5G網(wǎng)絡(luò)連接被采用了。
目前有幾種LP-WAN選擇。它們包括LoRaWAN、Sigfox、Weightless、NB-IoT、LTE M、Ingenu和Symphony Link。下一個版本的Wi-Fi 802.11ax在規(guī)范中有低功耗選項,它也可能加入其中。
一些LP-WAN技術(shù)是專有技術(shù),另一些則是更具包容性的開發(fā)過程的結(jié)果。它們的開放程度不同?,F(xiàn)在判斷哪一個會變得流行還為時過早,但可以肯定的是:長期來看,LP-WAN的無線選擇比市場可能容納的要多。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)
在一些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,使用無線傳輸技術(shù)不僅適用于連接大量簡單便宜的設(shè)備,而且還適用于其彼此互連。這就是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的天下。一些LP-WAN技術(shù)一開始并沒有對網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)提供支持,但現(xiàn)在幾乎所有的技術(shù)都提供了支持。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)并不是LP-WAN獨有。它已經(jīng)被納入無線局域網(wǎng)技術(shù)。Zigbee和Thread是一開始就支持網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)的,藍牙已經(jīng)增加了它,下一個版本的Wi-Fi也將擁有它。Wi-Fi的這個下一版本叫做802.11ax,也叫做Max(看看“11ax”——把第一個1反過來,它就面朝另一個1,合在一起就是一個“M”)。
無線網(wǎng)狀網(wǎng)在5G中當然可以有用。在所有連接設(shè)備都是靜止的局域網(wǎng)中,網(wǎng)狀網(wǎng)尚不能非常容易地做好;考慮到移動設(shè)備(行走的人、無人機、汽車),則難度加劇。業(yè)界正在開始使5G支持網(wǎng)狀網(wǎng)的工作。
圖4:網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)將有助于設(shè)備互連。一種可能的用途是車對車(V2V)通信。(來源:密歇根理工大學)
本文轉(zhuǎn)載自EDN電子技術(shù)設(shè)計。
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