5G的發(fā)展將會給通信和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域帶來全新的改變和機(jī)會

5G不僅是通信技術(shù)的變革，更是一場端到端的跨行業(yè)革命。5G進(jìn)程的加速，必將更快地迎來萬物互聯(lián)的新時(shí)代。

為了給消費(fèi)者帶來更多、更好、更滿意的體驗(yàn)，國內(nèi)運(yùn)營商的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將以實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋為最終目標(biāo)。在頻率的使用上，國內(nèi)運(yùn)營商的5G網(wǎng)絡(luò)商用頻段將以2.6GHz和3.5GHz中低頻段為主、4.9GHz高頻段為輔進(jìn)行室外網(wǎng)絡(luò)覆蓋建設(shè)。運(yùn)營商將以宏基站獨(dú)立組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)廣覆蓋作為5G建網(wǎng)的主要策略。

在中低頻段，Massive MIMO（4G時(shí)代為3D MIMO）等新技術(shù)的引入，使得5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)共站址部署具有較高的可行性，經(jīng)測算，4G、5G網(wǎng)絡(luò)共站址部署在中低頻段可以達(dá)到近似的覆蓋目標(biāo)。因此，相較4G時(shí)期，采用中低頻段進(jìn)行5G宏基站建設(shè)的總基站數(shù)量不會大幅增加。為了達(dá)到這種近似的覆蓋目標(biāo)，Massive MIMO等新技術(shù)的引入將必不可少。

同時(shí)隨著5G網(wǎng)絡(luò)的快速部署建設(shè)，5G用戶快速發(fā)展，未來5G網(wǎng)絡(luò)面臨熱點(diǎn)更熱、用戶體驗(yàn)訴求強(qiáng)烈以及特殊場景深度覆蓋困難等問題，這時(shí)通過Massive MIMO技術(shù)可顯著增加收發(fā)天線通道，獲得更高的分集和干擾抑制增益，從而顯著提升系統(tǒng)性能。MIMO技術(shù)相對傳統(tǒng)的普通天線系統(tǒng)來說，能夠大大提高頻譜利用率，使系統(tǒng)在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度在于滿足連續(xù)覆蓋

從全球來看，世界各主要市場基本都將3.5GHz頻段列入到5G候選頻段中，該頻段有望成為全球主流5G頻段，在全球市場產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)。從當(dāng)前的國內(nèi)測試以及運(yùn)營商的主流意見判斷，預(yù)計(jì)國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將以獨(dú)立組網(wǎng)為主，3.5GHz頻段也有望成為國內(nèi)5G商用的主流頻段。

根據(jù)無線信號傳輸模型，頻率越高的電磁波穿透性越好，但是其穿透損耗大、衰減快、繞射能力弱，所以5G基站在使用高頻段時(shí)，其覆蓋范圍要比2G基站和4G基站小很多。2G時(shí)期1個(gè)基站（900MHz頻段）可以覆蓋的區(qū)域現(xiàn)在需要2個(gè)以上的5G基站進(jìn)行覆蓋，這給網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來了很大的沖擊。運(yùn)營商在4.9GHz高頻段進(jìn)行連續(xù)、高速的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，需要投入巨大的資源和成本來建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)。

在初期國內(nèi)5G部署以宏基站廣覆蓋為主，網(wǎng)絡(luò)容量需求不具有迫切性，5G的建網(wǎng)思路與4G時(shí)期一致，仍將以部署宏基站實(shí)現(xiàn)城區(qū)的連續(xù)廣覆蓋為主要策略。在業(yè)務(wù)需求大規(guī)模爆發(fā)前，國內(nèi)市場5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)先級會大于容量，因此，宏基站與小基站相結(jié)合的超密集組網(wǎng)預(yù)計(jì)在5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋以前不太可能大規(guī)模出現(xiàn)。

根據(jù)工信部公布的中國5G頻段使用規(guī)定，3400~3600MHz和4800~5000MHz可以作為室外頻段使用，未來5G連續(xù)覆蓋盡可能采用較低頻段，以降低建網(wǎng)成本，因此3400~3600MHz將是5G實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋的首選頻段。3.5GHz頻段衰減比2.6GHz大4dB，5G下行可以通過多天線以及增加發(fā)射功率來達(dá)到4G同等覆蓋水平，但是上行方面手機(jī)終端的天線數(shù)量和發(fā)射功率均受到較大限制，因此上行覆蓋要達(dá)到4G同等水平需要增加物理站址，縮小小區(qū)半徑。目前密集市區(qū)4G站間距高達(dá)300米以內(nèi)，要進(jìn)一步增加物理站址難度很大。

Massive MIMO關(guān)鍵技術(shù)助力5G網(wǎng)絡(luò)性能提升

5G關(guān)鍵技術(shù)Massive MIMO通過改變天線及射頻陣列格局，單面天線中可集成64個(gè)、128個(gè)甚至更多的天線振子。5G基站將采用大規(guī)模多天線技術(shù)，該技術(shù)能夠通過不同的維度（空域、時(shí)域、頻域、極化域等）來提升5G頻譜利用率。根據(jù)目前的5G測試結(jié)果來看，采用64通道的Massive MIMO技術(shù)是各個(gè)設(shè)備商的主流選擇。一般認(rèn)為通道數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)的性能越高，但3.5GHz頻段的天線產(chǎn)品很難做到特別的小型化。因此，綜合產(chǎn)品性能、成本和上站難度考慮，預(yù)計(jì)3.5GHz頻段的商用5G基站將以64通道為主，不同場景可選用不同的使用方案，如圖1所示。

圖1 不同場景選用不同的Massive MIMO使用方案

為了實(shí)現(xiàn)在3.5GHz頻段下5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)共站址部署，5G基站和終端都需要更大的發(fā)射功率以彌補(bǔ)工作頻段升高帶來的覆蓋損失。根據(jù)目前3GPP的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展情況判斷，工作在3.5GHz頻段的基站和手機(jī)終端都有望具備更高的發(fā)射功率。從目前的技術(shù)研究和各公司的產(chǎn)品路標(biāo)看，預(yù)計(jì)2020年5G正式商用時(shí)，基站將有望在支持下行64通道、工作在100MHz帶寬時(shí)實(shí)現(xiàn)最高200W（即53dBm）的發(fā)射功率，手機(jī)終端發(fā)射功率相較4G時(shí)期預(yù)計(jì)也有望增長一倍，達(dá)到400mW（即26dBm）。更大的發(fā)射功率可在一定程度上彌補(bǔ)由于5G工作頻段升高帶來的網(wǎng)絡(luò)上下行覆蓋損失。

為了彌補(bǔ)上行覆蓋受限的問題，5G采用全新空口技術(shù)來提升網(wǎng)絡(luò)性能和覆蓋能力。由5G鏈路預(yù)算可知，由于手機(jī)終端發(fā)射功率有限，5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍主要受限于上行。當(dāng)宏基站部署在室外，用戶在室內(nèi)時(shí)，無線信號需穿越墻體，造成信號衰減，此時(shí)基站覆蓋范圍最小。5G時(shí)代，一般約定當(dāng)終端的上行速率下降到2Mbit/s時(shí)為小區(qū)的覆蓋邊緣。根據(jù)此約定，通過鏈路預(yù)算分析，可發(fā)現(xiàn)工作在3.5GHz頻段的5G上行覆蓋可達(dá)200米。如果考慮目前尚未完成標(biāo)準(zhǔn)化的未來5G全新幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)上行的覆蓋距離還將更遠(yuǎn)。

根據(jù)目前的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展和測試情況判斷，采用Massive MIMO的5G基站不但可以通過復(fù)用更多的無線信號流提升網(wǎng)絡(luò)容量，還可通過波束賦形大幅提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。波束賦形技術(shù)通過調(diào)整天線增益空間分布，使信號能量在發(fā)送時(shí)更集中指向目標(biāo)終端，以彌補(bǔ)信號發(fā)送后在空間傳輸?shù)膿p耗，大幅度提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。

Massive MIMO的技術(shù)優(yōu)勢在于可同時(shí)提升覆蓋和容量，降低高頻建網(wǎng)成本。

圖2 Massive MIMO的技術(shù)優(yōu)勢

目前的4G系統(tǒng)，由于工作在較低頻段，難以在終端中大幅增加天線數(shù)量，從而導(dǎo)致終端峰值速率提升受限。可通過空間分集、空間復(fù)用和波束賦形等技術(shù)，重點(diǎn)挖掘增強(qiáng)基站覆蓋、提升基站容量（吞吐量）和提高服務(wù)質(zhì)量（服務(wù)用戶的速率，尤其是邊緣用戶）等方面的能力。Massive MIMO正好解決了特定區(qū)域的這些問題。

結(jié)束語

3D?MIMO是把5G技術(shù)應(yīng)用到4G網(wǎng)絡(luò)的典型案例和成功實(shí)踐，相比現(xiàn)有4G技術(shù)，采用Massive MIMO技術(shù)的5G基站小區(qū)下行和上行平均吞吐量分別是現(xiàn)有4G基站的2~5倍和2倍。該技術(shù)既有效解決了4G存在的“三高一限”嚴(yán)重制約用戶體驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)問題，也將為移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的規(guī)模發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐，可極大滿足5G時(shí)代用戶密集區(qū)域的流量業(yè)務(wù)需求。

目前現(xiàn)網(wǎng)TD-LTE 8天線宏站可以支持4流空分復(fù)用，而Massive MIMO引入大規(guī)模陣列天線技術(shù)，使得空域16流、32流、64流或更多流復(fù)用成為可能。在熱點(diǎn)區(qū)域，用戶數(shù)多且用戶在三維空間分布范圍大，結(jié)合精確的信道估計(jì)、用戶配對算法，既可實(shí)現(xiàn)空域16層及以上的視頻資源空分復(fù)用，讓無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率再上一個(gè)臺階，又可以克服5G上下行覆蓋的不平衡性，拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。