MIMO和波束成形，對5G網(wǎng)絡(luò)為何一直都非常重要

對于2018年的5G網(wǎng)絡(luò)來說，最重要的五大無線技術(shù)中的兩個—多重輸入多重輸出(MIMO)和波束成形(beamforming)——對5G網(wǎng)絡(luò)一直都非常重要。

對于LTE/4G，業(yè)界正接近時間和頻率利用的理論極限。5G無線技術(shù)的下一步是利用空間維度，透過向不同方向發(fā)射嚴(yán)格聚焦的訊號，盡可能頻繁地同時使用任何給定頻率。業(yè)界在將這兩項技術(shù)用于5G時，尚需克服挑戰(zhàn)。2017年，這兩個主題一直在進(jìn)步和變化，2018年在這兩方面可能會看到更多。

MIMO描述了在發(fā)送端和接收端將越來越多的天線聚合進(jìn)越來越密集的數(shù)組，以創(chuàng)建更多的數(shù)據(jù)串流層。同時，波束成形和與波束跟蹤緊密相關(guān)的技術(shù)是將每個訊號引導(dǎo)到接收器的最佳路徑上，同時避免訊號干擾。

波束成形將使MIMO效率更高。不過，要應(yīng)用在5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這兩種技術(shù)都需要做進(jìn)一步改進(jìn)。

圖1 5G將依靠天線數(shù)組來提供大量的輸入和大量輸出(或稱MIMO)；波束成形將訊號引導(dǎo)到特定設(shè)備。(圖片來源：T-Mobile)

物理上縮小天線尺寸仍困難重重；針對5G的MIMO數(shù)組非常大(這是2020年之前，也許更晚，實際的5G智能型手機都不太可能問世的原因之一)。大多數(shù)現(xiàn)存的數(shù)組功耗仍太高，以致不完全實用。

波束成形的本質(zhì)正如其名，但該術(shù)語并沒有蘊含涉及的復(fù)雜性。在4G中，發(fā)射器對接收器進(jìn)行三角定位；在5G中也是如此，但在5G中，發(fā)射器也將能映射物理環(huán)境，然后不僅計算多徑反彈，而且計算如何錯開訊號流，以不干擾同步訊號的方式來利用多路徑。當(dāng)發(fā)射器和接收器中的任一個或兩個都在移動時，任務(wù)變得更困難。所有這些又都因5G無線的下一個重要方面中的額外固有技術(shù)挑戰(zhàn)而更加棘手。

圖2 訊號必須沿著高度和方位角兩個維度去引導(dǎo)，使波束成形的任務(wù)復(fù)雜化。(圖片來源：Qorvo)毫米波(mmWave)

最初為5G分配的頻率在6GHz已擁擠不堪。世界各地不同司法管轄區(qū)最近分配給5G服務(wù)的頻譜大多分布于各毫米波頻率。

毫米波范圍是從30G~300GHz。世界范圍內(nèi)新的5G頻譜分配，范圍從20幾GHz(例如26GHz和28GHz，它們技術(shù)上不是毫米波，但通常被歸入該類)，到30G~40GHz內(nèi)的幾個頻段和40G~50GHz內(nèi)的幾個頻段。有一個60GHz的Wi-Fi頻段可用于5G無線，其他更高的頻率正在考慮中。

圖3 毫米波范圍(30~300GHz)附近和以內(nèi)的頻譜特別適合于更高的數(shù)據(jù)速率，盡管有缺陷，但卻有吸引力。(數(shù)據(jù)源：Ericsson)

一方面，這些較高頻率的訊號將支持比5G規(guī)定高得多的數(shù)據(jù)速率。為提高其迄今為止已設(shè)法實現(xiàn)的頻譜效率，業(yè)界仍然有工作需進(jìn)行。另一方面，毫米波訊號的傳輸速率明顯低于期望。毫米波訊號及6GHz以下訊號不能傳得很遠(yuǎn)，也不能穿透障礙物。

一般來說，5G的許多組件仍然昂貴，在毫米波頻譜尤其如此。隨著規(guī)模經(jīng)濟(jì)拉動并基于未來可能的創(chuàng)新，進(jìn)一步的整合將肯定使成本下降。

在以前的無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中，基本的目標(biāo)任務(wù)是把數(shù)據(jù)送到手機。沒錯，這是從簡單的電話開始，并發(fā)展到增加寬帶接入；其他類型的設(shè)備是由4G/LTE網(wǎng)絡(luò)支持，但絕大多數(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)使用是向手機收發(fā)數(shù)據(jù)，但這將隨著5G而改變。5G將成為許多物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用的使能技術(shù)，但同樣重要的是，這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將有助于證明5G演進(jìn)的正確性。包括物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的用例實際上內(nèi)置于5G技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖中，這是5G市場發(fā)展的內(nèi)在。

雖然許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將直接連接到5G，但其他的不會。許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將依賴大量簡單、便宜的傳感器或其他相對簡單的設(shè)備。這些設(shè)備可能要求低功耗或超低功耗，可能要求也可能不要求低延遲，可能需要也可能不需要彼此通訊，產(chǎn)生(也可能收到)的數(shù)據(jù)量可能會因設(shè)備的不同而差異巨大，且它們可能需要進(jìn)行實時不停的輪詢，也可能一天、一周、甚至一月才輪詢一次。

在許多這些應(yīng)用中，5G連接不僅是技術(shù)上的過度浪費，而且還太昂貴，以致于它們中有許多在經(jīng)濟(jì)上不可行。這就是為什么下一項技術(shù)介紹也對5G市場非常有用。

在許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，大批設(shè)備將透過專門為LPWAN設(shè)計的一些無線技術(shù)連接到基地臺，基地臺又將連接到高速高帶寬的網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)可能是5G，但不一定；4G連接有時就足夠了——有時候3G就可以。附近有有線接入也可以，它也許同樣有用(如果不是更理想的話)，只是在很多地方，附近沒有有線網(wǎng)絡(luò)，這就有利于5G網(wǎng)絡(luò)連接被采用。

目前有幾種LPWAN選擇。它們包括LoRaWAN、Sigfox、Weightless、NB-IoT、LTE-M、Ingenu和Symphony Link。下一個版本的Wi-Fi 802.11ax在規(guī)范中有低功耗選項，它也可能加入其中。

一些LPWAN技術(shù)是專有技術(shù)，另一些則是更具包容性的開發(fā)過程的結(jié)果，它們的開放程度不同?，F(xiàn)在判斷哪一個會變得流行還為時過早，但可以肯定的是：LPWAN的無線選擇比市場可能長期容納的要多。

在一些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，使用無線傳輸技術(shù)不僅適用于連接大量簡單便宜的設(shè)備，而且還適用于其彼此互連，這就是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的天下。一些LPWAN技術(shù)一開始并沒有提供網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)支持，但現(xiàn)在幾乎所有的技術(shù)都已提供。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)并不是LPWAN獨有，它已經(jīng)被納入無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)技術(shù)。ZigBee和Thread一開始就支持網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)，藍(lán)牙(Bluetooth)最新版本已經(jīng)增加，下一個版本的Wi-Fi也將擁有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Wi-Fi的下一版本稱為802.11ax，也叫做Max(觀察「11ax」，反轉(zhuǎn)第一個1，它就面朝另一個方向。懂了嗎？)。

無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)當(dāng)然可以在5G中有用。在所有連接設(shè)備都是靜止的局域網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)尚不能容易地做好；考慮到移動的設(shè)備(行走的人、無人機、汽車)，則難度加劇。業(yè)界正在開始使5G支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的工作。

圖4 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)將有助于設(shè)備互連。一種可能的用途是車對車(V2V)通訊。(數(shù)據(jù)源：密西根理工大學(xué)，Michigan Technological University)