5G通讯关键技术——毫米波解析

第五代移动通信系统 (5th generation mobile networks,简称5G)离正式商用(2020年)越来越接近,这些日子华为、三星等各大厂商也纷纷发布了自己的解决方案,可谓“八仙过海,各显神通”。

 5G的一个关键指标是传输速率:按照通信行业的预期,5G应当实现比4G快十倍以上的传输速率,即5G的传输速率可实现1Gb/s。这就意味着用5G传输一部1GB大小的高清电影仅仅需要10秒!另外如此高的传输速度也会带来一些其他的应用,比如云端游戏(游戏在云端服务器执行,直把执行画面传回手机,这样手机配置不高也能玩大型游戏),虚拟现实(同理把运算放到云端,手机端只负责输出画面)等等。

 5G如何实现如此高的传输速率呢?

 无线传输增加传输速率大体上有两种方法,其一是增加频谱利用率,其二是增加频谱带宽。在无线传输中,数据以码元(symbol)的形式传送。在码元传送速率(码率)不变的情况下,信号占用的无线带宽不变,而每个码元传送的信息数据量是由调制方式决定的。

 调制方式是指如何用信号传递信息。

 在古代,人们用烽火台传递信息,有情况的时候点燃烽火,每有情况的时候熄灭烽火。从现代通讯理论来说,就是我们调制了烽火。由于普通的烽火一共只有两种状态(点燃和熄灭),因此烽火台一次只能传递1比特的信息(0=熄灭=没有敌人,1=点燃=有敌人)。烽火台能不能改善一下来一次传递更多信息呢?我们可以通过引入更多状态来实现这一点。例如,改进的烽火台里面我们可以控制烽火的火势,将火势分为熄灭、小火、中火和大火四种状态,这样我们就可以一次传递两比特的信息(00=熄灭=没有敌人,01=小火=有敌人且离我们很远,10=中火=有敌人且离我们不远,11=大火=有敌人且已经兵临城下)。

 然而,不能两全其美的是,引入更多状态的同时也会增加信息传递出错的可能。如果天气不好的时候可能会把中火看成小火,这样信息的传递就出错了。相对地,如果只有两种状态(熄灭和点燃),则出错的几率比较小。

 无线通讯中的调制也是这个道理,通过操纵无线电波的幅度和相位可以产生载波的不同状态。当调制方式由简单变到复杂时,载波状态数量增加,一个码元所代表的信息量(比特数)也增加。

 但另一方面每个码元状态之间的间距也变小,因此容易受到噪声干扰使得码元偏离原本应该在的位置从而造成解码出错。所以复杂调制对信道的要求比较高,在信道噪声很大的情况下使用复杂调制会导致数据传输误码率很高,而且解码所需要的电路也会非常复杂,导致功耗很大。

 由简单(左)到复杂(右)调制的状态图

 相对于提高频谱利用率,增加频谱带宽的方法显得更简单直接。在频谱利用率不变的情况下,可用带宽翻倍则可以实现的数据传输速率也翻倍。但问题是,现在常用的5GHz以下的频段已经非常拥挤,到哪里去找新的频谱资源呢?各大厂商不约而同想到的方法就是使用毫米波技术。

毫米波是什么?毫米波的特点?

 毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波,其频率大约在30GHz~300GHz之间。

 根据通信原理,无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右,因此载波频率越高,可实现的信号带宽也越大。在毫米波频段中,28GHz频段和60GHz频段是最有希望使用在5G的两个频段。28GHz频段的可用频谱带宽可达1GHz,而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则到了2GHz(整个9GHz的可用频谱分成了四个信道)。

 相比而言,4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下,而可用频谱带宽只有100MHz。因此,如果使用毫米波频段,频谱带宽轻轻松松就翻了10倍,传输速率也可得到巨大提升。5G时代,我们可以使用毫米波频段轻轻松松用手机5G在线看蓝光品质的电影,只要你不怕流量用完!

 各个频段可用频谱带宽比较

 毫米波频段的另一个特性是在空气中衰减较大,且绕射能力较弱。换句话说,用毫米波实现信号穿墙基本是不可能。但是,毫米波在空气中传输衰减大也可以被我们所利用,所谓”It‘s not a bug,it’s a feature!”:你手机使用的毫米波信号衰减确实比较大,但是同样地其他终端发射出的毫米波信号(对你而言是干扰信号)的衰减也很大,所以毫米波系统在设计的时候不用特别考虑如何处理干扰信号,只要不同的终端之间不要靠得太近就可以。选择60GHz更是把这一点利用到了极致,因为60GHz正好是氧气的共振频率,因此60GHz的电磁波信号在空气中衰减非常快,从而可以完全避免不同终端之间的干扰。

 当然,毫米波在空气中衰减非常大这一特点也注定了毫米波技术不太适合使用在室外手机终端和基站距离很远的场合。各大厂商对5G频段使用的规划是在户外开阔地带使用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率,而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据传输。