5G时代的射频技术发展趋势

无线专家们表示，到2020年5G蜂窝网络有望产生两种新的空中接口和基于最新大规模MIMO技术的新天线设计。与此同时，LTE将突破Gbit/s瓶颈。“我们应该为毫米波频段开发一种新的空中接口。当然，用于访问物联网的另外一种空中接口应该也会有一些机会。”Intel公司首席无线技术专家Kenneth Stewart在由WiFi专业公司Quantenna举办的大会演讲中指出。

Stewart建议，在种类广泛的物联网领域，一些设备可以从量身定制的空中接口中受益，比如那些“在发送之前不必同步的设备……我们希望看到针对特殊用例的创新。“Steward 认为，LTE和WiFi在5G发明之后仍会继续存在很长一段时间。他介绍了一种2020年的无线芯片概念(如图1)：使用全套3G、4G和5G接口，除了 802.11ax WiFi和蓝牙5.0外，还支持多达60个LTE频段。“我们认为推出这种器件原则上没有什么困难。”

图1：2020年代的无线芯片概念图。

他鼓励大家发明适合使用这种芯片组的杀手级手机：

我们尚欠缺的是5G网络下的设备或用户体验，就像iPhone对3G或4G网络的推动作用——它要求部署这些网络。我们还没有见到能够充分发挥未来5G网络优势的设备。我们认为寻找和提供这种设备是一个很好的机会。专家们普遍同意5G的先进性将主要取决于毫米波频率和大规模MIMO天线的使用。“5G的大多数利益和优势都依赖于大约28GHz至90GHz范围内的毫米波的使用。”Stewart指出。

Intel公司已经朝这个方向迈进，目前正在推一款名为Maple Peak的60GHz WiGig产品。该产品主要用于无线笔记本电脑扩展坞，使用了一个2×8 倒装芯片绑定的天线阵列。“挑战主要在于功效，在这个领域有许多基础性工作要做。”ITU为5G网络规定了一系列目标(见表1)，包括针对某些服务超过10Gbit/s的数据速率。“我们相信毫米波频段的WiFi和LTE能达到这个目标。”

表1：ITU的5G网络规定。

Stewart预测到这个十年末LTE将能达到Gbit/s的数据速率。“如果幸运的话，”手机也将能使用诸如大规模MIMO等技术在相同频段中收发数据。大规模MIMO之父、贝尔实验室的Thomas Marzetta介绍了对这种技术的研究进展。有次实验成功地使用675副天线给10个用户每人提供Gbit/s的速率。另外一次实验给同一蜂窝中的每个 用户提供了5Gbit/s的速率，即使位于蜂窝边缘的用户也能达到这个速率。

“还没听说过使用相对较小的频谱。”Marzetta表示，“10倍的改进很难达到，而大规模MIMO能够轻松实现超过10倍的改进，并且不需要复杂的信号解码。”大规模MIMO技术将淘汰今天的点到点MIMO系统，并且可能消除对小蜂窝基站的需求，Marzetta指出，“我相信LTE和WiFi如果不转变到大规模MIMO的话有可能提前退出历史舞台。”

Stewart认为搭建这种天线阵列、并能以较低成本达到一致性能仍面临许多艰巨的挑战。“在这个技术领域中，信息理论和实现团队之间仍缺乏基本有效的沟通。”他提醒道。即使是Marzetta也表示，大规模MIMO在他的母公司阿尔卡特－朗讯也仍然只是一个研究课题。小蜂窝基站仍是阿朗公司发展战略的基础。今天的802.11ac在下行链路信道上支持多用户MIMO，但Quantenna等公司需要推动对诸如体育馆等用例中上行链路的支持，被称为MIMO之父斯坦福大学教授Arogyasawami Paulraj表示。

新兴大规模MIMO技术是毫米波传输中波束成型技术的关键。毫米波可以穿过植物等可能使信号衰减达8至10dB的障碍物，Paulraj指出。他已经与美国监管部门就支持毫米波波束成形技术所需的规程修改进行了磋商。在5G网络中，数据可能在宽带毫米波信道上传输，控制信号则走较慢的3G路由，他补充道。“不管会遇到什么问题，毫米波频率肯定会得到应用，虽然有时可能获得大吞吐量后又失去大吞吐量。”Intel公司的Stewart和Paulraj一致认为，5G将包含许多种技术，包括大规模MIMO LTE、多种WiFi甚至蓝牙。

“1G、2G、3G和4G的推动力来自频谱效率和吞吐量的增长，但5G更加关注多种频谱和技术的整合，以便给用户一个统一的网络界面。”Stewart表示，“在网络上层，将所有这些集成到单个流程中还面临诸多艰巨的挑战。”

图2：随着新的5G网络的兴起，老的空中接口将继续使用，Intel公司的Stewart表示。