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5G可以让万人演唱会中人人有网上?有它就行

本文作者:包永刚 2019-03-15 16:25
导语:都是同一家电信运营商网络,信号也显示满格,为什么别人能发出消息我却不行?

不少人应该有过这样的经历,拿着好不容易抢到的爱豆演唱会的门票去看演唱会,想要在社交网络上分享一段现场视频,却收到视频发送失败的提示。此时更让人懊恼的是,你旁边的朋友成功发出了视频。都是同一家电信运营商网络,信号也显示满格,为什么别人能发出消息我却不行?因为大家都在抢流量啊。                                       5G可以让万人演唱会中人人有网上?有它就行

 5G能解决演唱会上网问题?

明明信号满格视频却发不出去,为什么?首先需要明确,手机信号栏上显示的是你的手机与通信基站的距离而非手机信号的强度。因此,信号栏的信号即便显示满格,在大型演唱会现场,复杂的环境和众多的干扰会让手机与基站的信号传输受到不小的影响。

但为何还有人能正常上网?这就涉及到速度和带宽。无线通信需要借助手机和基站之间电磁波的发射和接收再借助有线传输进行信息交换实现联网,其中手机与基站间的数据传输需要在特定的无线频段上进行,相当于很多汽车通行于一条道路上。马路上车越多,速度自然越慢,甚至可能堵得走不动。怎么办?多修路啊。不仅可以多修几条路,即使在同一条路上也可以将双车道扩成四车道甚至八车道。相对应地,要提高移动网络的速度,最简单的方法之一就是增加传输带宽。

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从1G到4G,无线通信的传输速率不断提升,其中的关键之一在于带宽的不断增加。LTE(4G)的一个载波最少是20MHz的带宽,WCDMA和HSPA+是5MHz,GSM(2G)是200KHz。所以移动通信从最初1G的语音时代,到2G的文字时代,接下来是3G的图片时代再到4G的视频时代,移动通信在速率的提升下体验和应用也有了极大的提升。

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移动通信技术的演进

但是,4G仍无法满足像演唱会、大型体育赛事等人口密集场景的需求。由于4G的传输速率和传输带宽有限,尽管运营商们运用各种方法进行优化提升网络效率,比如信号复用,但同一时间向基站发送请求的用户如果过多,大大超过4G网络带宽的承载能力,就会出现网速变慢甚至断流的现象。

用一个形象的比喻来解释,景区的一座桥按最多可同时承载100人设计和建造,平日游客畅行,但到了节假日游客暴增,景区管理人员虽努力管控,桥上还是涌上了500甚至1000人,这时桥的通行速度不仅会下降,还有断桥的风险。

所以,在用户密集的场所,如果同一时间用户向基站发送的数据过多,基站处于满载情况就会出现数据处理延迟或者接收新的数据失败的情况,再加上复杂环境增加的干扰因素(如其它设备的电磁信号),手机网络自然会出现延迟甚至失败。这也能解释了为何人口密集区域4G体验不佳,并且,位置相近的人相近时间的上网体验也会有差别。

想要解决这一问题,进一步提升4G网络的速率是最简单有效的办法,千兆LTE已经到来。不过,单个载波达到100MHz带宽,能够实现更多连接和更高稳定性的5G也许更令人期待。尤其是5G毫米波频段的加入,有望给手机用户体验带来又一次质的飞跃。

实现5G超高速体验的关键技术——毫米波

所谓毫米波,就是波长为1-10毫米的电磁波。那5G为什么需要毫米波?前面已经提到,无线通信需要借助电磁波进行传输,不过电磁波频率资源有限,并且无线通信还有船用通信、越洋通信、卫星通信、飞行体通信等等用途,为了避免干扰和冲突,需要给不同的应用分配不同的频率。

仅看移动通信, 2G、3G、4G使用的都是6GHz以下的频率,但使用的电波频率却越来越高。这主要是因为,频率越高能使用的频率资源越丰富,能实现的传输速率就越高。用个形象的类比来解释,频率资源就像车厢,带宽更大,相同时间内能装载的信息就越多。

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更高的频率更快的速度

发展到第五代移动通信技术,6GHz以下的频率大部分已经被占用,留给5G的低频频率已经不多,想要重耕这些频率也需要时间。另外,更高的频率意味着更高的速率,符合移动通信发展的需求,因此5G的频率除了需要6GHz以下频段保障网络的覆盖,还需要24GHz以上的频率来提供超高速率和更多应用。

目前5G在24GHz以上的频率,国际上主要使用28GHz进行试验,使用光速=波长*频率的公式计算,28GHz频率的波长约为10.7mm,也就是毫米波。

毫米波作为5G区别于2G-4G的技术特点,能够在很大程度上提高传输速率,达到5Gbps、10Gbps甚至更高的水平,同时拥有更大的带宽。另外,一般而言天线长度与波长成正比,基本上天线是波长的四分之一或二分之一是最优,因此毫米波更短的波长也让天线变得更短。

具备更高的速率、更大的带宽特性,还能带来更多的应用场景,毫米波这么好,为什么此前一直没有被移动通信使用?这是由于电磁波的显著特性是频率越高、波长越短,越趋近于直线传播(绕射能力越差)。频率越高,频谱能量也越容易衰弱,无法传播很远。不懂什么是绕射或者能力衰弱的朋友也不用放弃,你只要记住,毫米波的信号容易被楼宇、人体甚至是雨滴所阻挡。举个直观的例子,卫星通信和GPS导航(波长1cm左右),在室内、被树木遮挡或者下雨天信号就会较弱或者没信号。因此,毫米波最大问题在于,它的信号很难传得远,也就是说单个基站能覆盖到的用户数量可能远比不上中低频基站。

与毫米波相伴的Massive MIMO和波束成形

即便挑战众多,但毫米波也具有实现5G更高速率的优势,所以如何解决毫米波带来的挑战成为关键。5G使用24Ghz以上的高频段会带来传输距离大幅缩短、网络覆盖能力大幅降低的问题。在覆盖相同面积的区域时,5G毫米波需要的基站数量将远超4G,不过确切的说是需要更多小基站。

基站可以分为两种,宏基站和小基站。此前移动通信都是以宏基站为主,4G时代也已经有不少小基站,尤其是在城区和室内,到了5G时代,我们可以利用数量众多的小基站实现毫米波的部署。

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 宏基站与小基站的覆盖范围

小基站是实现毫米波的关键要点之一。要点之二是天线上的Massive MIMO技术(大规模MIMO)。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)可译为多输入多输出,也就是多根天线的发送和接收。MIMO并不是一项全新技术,在LTE(4G)时代就已经在使用了。通过更高阶的MIMO技术,结合载波聚合和高阶调制,业界已经可以让LTE达到千兆级(1Gbps及以上)速度,达到初期LTE速度的十倍。

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MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)

5G时代,MIMO技术进一步加强为Massive MIMO(大规模多天线技术)。前面提到天线长度与波长成正比,因此波长更短的毫米波可以让天线变得更短。天线变小了,我们就可以在基站和手机都塞进更多天线,甚至出现了所谓的天线阵列,将一根一根的天线变成一个统一的天线系统。

说到天线阵列,我们接着说说实现毫米波的关键要点之三——波束成形。毫米波传输最大的问题在于它的信号很难传得远。如果非要传得远,就需要加大发射的能量,意味着更费电。在人人都是电量焦虑星人的今天,有没有办法能节省能量呢?科学家们说,让我们将全向发射变为定向发射。

我们知道,今天基站发射的信号是全向,考虑到用户不可能遍布于基站周围的360度,其中有不少能量和资源就会被浪费。在毫米波时代,天线阵列可以通过对射频信号相位的控制,使得经过相互作用的无线电波变得非常狭窄,直直地指向它所提供服务的手机,这就是所谓的波束成形。更重要的是,这道窄窄的电波还可以跟据手机的移动持续转变方向,甚至在信号受到阻挡的情况下自动切换到另一个电波上,从而保持手机信号的连续不间断。

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基站天线

这种空间复用技术,由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务,波束之间不会干扰,在相同的空间中提供更多的通信链路,极大地提高基站的服务容量。

利用小基站、Massive MIMO和波束成形等技术,毫米波终于在移动通信中拥有了名字。但在大众消费者都能享用5G毫米波带来的好处之前,还有一个问题行业必须解决——如何把复杂的毫米波技术放到巴掌大小的5G手机之上?

目前,全球范围内手机端毫米波和多天线解决方案的领导者无疑是高通。早在2015年,高通就成功进行了首次毫米波技术演示,通过智能波束成形和波束追踪技术实现稳健的毫米波移动性。此后高通持续推动毫米波技术用于5G移动通信,并充分利用毫米波可以显著降低天线尺寸的特性,设计出满足手机需求的多个天线并形成阵列,从而支持波束成形技术。不过手机的位置也会不断移动,因此不仅要形成波束,还要能控制波束追踪接收方的位置变化,一直保持在最佳的传输位置。

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显然,和2G/3G天线的全向发射相比,毫米波让5G手机天线的难度增加了很多,需要整个射频链路上从调制解调器到收发器、放大器再到天线的所有器件协同工作,做到更加智能。为了让手机厂商能够更简单、更低成本地推出支持毫米波的5G手机,高通还在2018年7月份发布了全球首款面向移动终端的毫米波5G天线模块QTM052,包含了从收发器到所有射频前端的器件,还有电源管理IC以及天线本身,覆盖第一批会投入商用的5G毫米波频谱。

还有值得一提的是,要在如今非常轻薄的智能手机的有限空间内提供良好的天线性能已经很困难,如果还要考虑用户使用过程中头部或手部对信号的遮挡以及环境的干扰,手机毫米波天线的性能面临的挑战更大。

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全球首款面向移动终端的毫米波5G天线模块QTM052

高通凭借其深厚的积累以及对行业需求的深刻了解,其5G毫米波天线模组QTM052很好地解决了与毫米波相关的传输、范围和尺寸挑战。具体而言,QTM052实现双向移动毫米波通信的波束赋形,波束控制和波束跟踪,可大幅改善毫米波信号的范围和覆盖率,并且尺寸非常小巧,在空间和成本允许的情况下,可以在手机的4个边立面上配备4个毫米波天线模组,配合高通同样率先推出的5G调制解调器芯片骁龙X50,可以确保使用者无论如何握住手机,信号也不会被阻挡。

基于首款毫米波天线模组,高通2019年又推出最新一代的高通QTM525 5G毫米波天线模组,通过降低模组高度可支持厚度不到8毫米的纤薄5G智能手机设计。在上一代产品已支持的n257(28GHz)、n260(39GHz)与n261(美国28GHz)频段的基础之上,新模组针对北美、欧洲和澳大利亚还增加了对n258(26GHz)频段的支持。

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高通第二代5G调制解调器骁龙X55与QTM525毫米波射频模组配合

QTM525是高通在MWC2019前夕配合其第二代5G调制解调器骁龙X55同期发布的5G毫米波射频模组。此外高通也有针对6GHz以下的天线模组产品,如全球首款宣布的5G 100MHz包络追踪解决方案QET6100、集成式5G/4G功率放大器(PA)和分集模组系列,以及QAT3555 5G自适应天线调谐解决方案。

支持毫米波的5G手机何时到来?

既然5G毫米波的挑战已经在很大程度上得到解决,那么结合5G毫米波和6GHz以下频段的5G网络体验如何?毋庸置疑,高用户密度环境下的上网问题无疑会得到极大程度的改善,演唱会和体育赛事现场不仅能轻松上网,还能进行高清直播。

另外,5G一个重要的特点是能拓展到手机之外的应用,包括VR、AR、自动驾驶、工业物联网、无线医疗等场景,5G与这些场景的结合也正在加速落地。

 

5G可以让万人演唱会中人人有网上?有它就行

5G连接及应用场景,图片来自infineon

MWC 2019上,高通拓展其5G测试网络,纳入面向毫米波频段和6 GHz以下频段的全新端到端OTA配置。新的5G测试网络位于加利福尼亚州圣迭戈市和新泽西州布里奇沃特市的高通研发中心。

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 高通展示5G NR室内毫米波OTA网络

在展会现场,雷锋网也看到了新的5G测试网络的演示。在位于加利福尼亚州圣迭戈市的5G NR户外毫米波OTA网络,28GHz网络演示了毫米波在不同现实工作场景中的移动性、鲁棒性和性能。

另外,在位于新泽西州布里奇沃特市的5G NR室内毫米波OTA网络,针对室内场馆和企业部署,毫米波为智能手机、笔记本电脑和其他终端带来大容量、数千兆比特的传输速率和低时延的连接。28 GHz网络在预期部署场景中演示了室内封闭办公环境下的毫米波覆盖和用户体验。

可以看到, 5G NR毫米波的优势在企业私有网络和高密度的场馆两个场景非常明显。

基于上面提到的测试网络,高通可以先于标准化对3GPP Release 16+的新设计进行验证,完善5G算法和技术以进一步改善性能,试并演示新兴边缘计算功能,例如低时延扩展现实(XR),并对尚未部署的5G功能进行演示。

5G可以让万人演唱会中人人有网上?有它就行

 由此,我们可以期待5G将给我们生活带来的改变。不过需要注意的是,虽然采用高通毫米波天线模组搭配骁龙X50调制解调器的的5G手机已经推出。但是各个国家和地区考虑到历史情况和频谱资源情况,在毫米波和6GHz以下频谱部署的部署规划上有所差别,比如北美会先在毫米波频段进行5G部署,中国会先在6GHz以下进行5G部署,日韩可能两种频段都会部署。

由此看来,距离国内用户体验到5G毫米波网络并拿到支持5G毫米波手机还需要一段时间。不过从监管机构的最新进展看,在2019年2月工信部无线电管理局发布《2019年全国无线电管理工作要点》中,特别提到要适时发布5G系统部分毫米波频段频率使用规划,引导5G系统毫米波产业发展。相信在行业各方的共同支持下,中国进行基于毫米波频段的5G部署指日可待。

待到那个时候,别忘了使用支持毫米波频谱的5G手机在爱豆的演唱会感受高速网络带来的分享视频的快乐。雷锋网(公众号:雷锋网)雷锋网

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