如何設(shè)計(jì)和驗(yàn)證 5G 系統(tǒng)，第 2 部分

直到最近，毫米波的使用受到限制，因?yàn)樗鼈冸y以管理并且電子設(shè)備不足以處理它們。它主要局限于射電天文學(xué)和衛(wèi)星通信。近年來(lái)，隨著技術(shù)進(jìn)步將毫米波推向移動(dòng)通信的最前沿，取代了因 4G 移動(dòng)通信的廣泛采用而飽和的厘米波頻譜，這一切在最近幾年發(fā)生了變化。

需要考慮的幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)：首先，整個(gè)毫米波頻譜比厘米波頻譜寬約 10 倍(300GHz - 30GHz = 270 GHz)，提供了充足的擴(kuò)展空間。因此，毫米波網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)支持許多高帶寬通道，每個(gè)通道都發(fā)送和接收大量數(shù)據(jù)。

除了高容量之外，5G 系統(tǒng)的架構(gòu)還可以提供比前幾代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)顯著降低的延遲(延遲 = 數(shù)據(jù)傳輸和接收之間的延遲)。4G 網(wǎng)絡(luò)的最小延遲徘徊在 70 毫秒左右。今天早期的 5G 網(wǎng)絡(luò)可以提供低至 10 毫秒的延遲，預(yù)計(jì)最終將降至 1 毫秒。這種顯著降低的延遲將減少或消除無(wú)線通話和視頻聊天中令人沮喪的延遲。在某些情況下，例如無(wú)人駕駛汽車(chē)和遠(yuǎn)程醫(yī)療，通過(guò)近乎即時(shí)的連接實(shí)現(xiàn)的快速響應(yīng)可能會(huì)避免不必要的傷害或死亡。

更重要的是，毫米波的傳播波束寬度比厘米波更窄，毫米波的傳播波束寬度是衡量傳輸波束在遠(yuǎn)離其原點(diǎn)時(shí)如何擴(kuò)散的指標(biāo)。雖然厘米波信號(hào)的較寬波束寬度由于干擾而減少了相同信號(hào)在本地地理區(qū)域內(nèi)的重復(fù)傳輸，但毫米波較窄的波束減輕了干擾并支持使用相同頻率范圍的近距離多次傳輸。

不幸的是，毫米波有缺點(diǎn)，包括傳輸范圍有限。物理定律規(guī)定，波長(zhǎng)越短，給定功率的傳輸范圍越短，這種影響主要是由于大氣衰減。此外，毫米波信號(hào)衰減很快，因?yàn)樗鼈儾蝗菀状┻^(guò)建筑物或障礙物，并且會(huì)被樹(shù)木、樹(shù)葉和雨水吸收。由于其較差的傳播特性，毫米波信號(hào)需要大量的無(wú)線電單元 (RU) 才能實(shí)現(xiàn)所需的覆蓋范圍。

波束成形

波束成形是一種用于減少支持信道所需的發(fā)射機(jī)功率以及增加網(wǎng)絡(luò)容量的技術(shù)。傳統(tǒng)無(wú)線電向各個(gè)方向傳輸信號(hào)時(shí)，無(wú)線波束成形縮小了發(fā)射器信號(hào)的焦點(diǎn)，將其能量集中到直接瞄準(zhǔn)接收器的緊密波束中。這增加了該接收器的信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)將周?chē)男盘?hào)干擾降至最低。

在 5G 中，波束成形在控制系統(tǒng)功率和通過(guò)特殊復(fù)用將功率集中在用戶身上發(fā)揮著重要作用。此外，短毫米波長(zhǎng)使得構(gòu)建多元素動(dòng)態(tài)波束成形天線變得切實(shí)可行，這些天線足夠小以適合手機(jī)。

大規(guī)模 MIMO

多輸入多輸出 (MIMO) 無(wú)線電在發(fā)射器和接收器中使用多個(gè)天線來(lái)增加天線鏈路的容量，并最終提高網(wǎng)絡(luò)的效率，同時(shí)減少傳輸錯(cuò)誤。該方法已用于 3G(演進(jìn)的高速分組接入或 HSPA+)和 4G(LTE 或長(zhǎng)期演進(jìn))無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，但僅限于少數(shù)(個(gè)位數(shù))天線。

毫米波的極短波長(zhǎng)使得使用小型天線陣列將信號(hào)集中到具有足夠增益的高度聚焦波束中成為可能，從而克服傳播損耗并顯著提高通信效率和吞吐量。天線越多，通信效率越高。

大規(guī)模 MIMO 可以將技術(shù)推向數(shù)百個(gè)天線。在 5G 中，大規(guī)模 MIMO 可能需要在發(fā)射端多達(dá) 256 個(gè)天線，在接收端多達(dá)四個(gè)天線和兩層。來(lái)自接收端所有天線的所有信號(hào)都被組合起來(lái)，以提高鏈路的穩(wěn)健性，并將系統(tǒng)的比特率提高到 10 Gbps(每層 3.2 Gbps，最多四層)。

這種方法的缺點(diǎn)是無(wú)線電基帶處理器的復(fù)雜性隨著系統(tǒng)中天線的數(shù)量和調(diào)制階數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)。

載波聚合

載波聚合提高了通信的效率。一般來(lái)說(shuō)，廣播頻譜價(jià)格昂貴，在 4G 中變得越來(lái)越擁擠。因此，在使用可用頻譜方面變得更聰明是至關(guān)重要的。載波聚合可能涉及在 4G 中使用一個(gè)頻段，在 5G 中使用另一個(gè)頻段。通過(guò)組合它們，可以顯著提高傳輸數(shù)據(jù)速率。

小cell

支持高達(dá) 4G 的所有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)施包括在整個(gè)地理區(qū)域傳播蜂窩信號(hào)的大型手機(jī)信號(hào)塔。5G 將改變這種方法。服務(wù)提供商不會(huì)建造大塔，而是將他們的設(shè)備(稱為小型蜂窩)安裝在現(xiàn)有的電線桿、建筑物和其他結(jié)構(gòu)上。這些單元的范圍通常約為 250 米(820 英尺)。

毫米波信號(hào)較短的傳播特性鼓勵(lì)服務(wù)提供商創(chuàng)建更密集的基礎(chǔ)設(shè)施，即更靠近的基站，以確保廣泛和一致的服務(wù)。

服務(wù)質(zhì)量

5G 通信的一個(gè)重要要求是提高服務(wù)質(zhì)量 (QoS)。以前的所有無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)都專注于向客戶提供更高的數(shù)據(jù)速率，但 QoS 并不是優(yōu)先事項(xiàng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的出現(xiàn)，尤其是無(wú)人駕駛汽車(chē)的出現(xiàn)，這種情況發(fā)生了變化。在這些應(yīng)用程序以及許多其他應(yīng)用程序中，QoS 現(xiàn)在是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。

如果在 4G 通信中呼叫掉線，系統(tǒng)會(huì)選擇另一個(gè)頻率、另一個(gè)信道或更改為另一個(gè)調(diào)制方案。當(dāng)前設(shè)備的有限功率迫使它們?cè)趨f(xié)議棧中更高的鏈路層運(yùn)行以切換到新的頻率或調(diào)制方案，從而延長(zhǎng)了完成切換和從故障中恢復(fù)的時(shí)間。

在 5G 環(huán)境中，必須在幾毫秒內(nèi)執(zhí)行選擇，迫使系統(tǒng)在物理層運(yùn)行。當(dāng)通信性能下降時(shí)，必須在幾毫秒內(nèi)完成切換到新頻率或其他調(diào)制方案。

處理更接近物理層的 QoS 以使不同類型的設(shè)備能夠連接到網(wǎng)絡(luò)非常重要。

5G 標(biāo)準(zhǔn)是之前所有四種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的飛躍，承諾更快的速度、更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的延遲和更廣的覆蓋范圍。累積起來(lái)，5G 將結(jié)束阻礙老化的 4G 標(biāo)準(zhǔn)的擁塞和延遲問(wèn)題。