5G eMBB實(shí)現(xiàn)之『道』！5G毫米波的引入

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5G eMBB實(shí)現(xiàn)之『道』

增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)，是現(xiàn)階段5G最重要的發(fā)展方向，也是我們看得見摸得著的未來。

在5G基站下，國(guó)際電聯(lián)的愿景是單小區(qū)可達(dá)20Gbps的速率。而在巴塞展上，國(guó)內(nèi)的5G先鋒中興通訊曾經(jīng)演示過驚人50Gbps峰值下載速率！

▲中興通訊的5G演示

在這一切的背后，到底是何方神圣，能擁有如此大的能量？

這就要從“道”和“術(shù)”兩方面來理解。“道”可認(rèn)為是提供支撐的理論基礎(chǔ)，“術(shù)”就是在此之上的實(shí)現(xiàn)方法。

兩千五百年前，中國(guó)偉大的思想家老子曾說過：“道生一，一生二，二生萬(wàn)物”。那么到底什么是道呢？老子又說：“道可道，非常道”。

老子說得沒錯(cuò)，但盡管“道”難以說清，還是有人為此孜孜不倦。70年前，美國(guó)的克勞德?香農(nóng)發(fā)表了一篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文《通信的數(shù)學(xué)理論》，從而成為了無(wú)線通信理論的奠基人，“道”終于“可道”了。

▲香農(nóng)

香農(nóng)公式，精確地描述了決定通信系統(tǒng)容量的幾個(gè)因素和它們之間的關(guān)系。作為移動(dòng)通信之“道”，2G，3G，4G要遵從，5G照樣不例外。

▲香農(nóng)公式

這個(gè)公式看起來非常的猙獰可怕，我們?nèi)绻芄钠鹩職庥仓^皮看一遍的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)容量和信道帶寬成正比，或者說，信道帶寬越大，系統(tǒng)容量就越大！容量大了，不就是上網(wǎng)速度快了么？

5G的設(shè)計(jì)者也是這么想的：大幅提升網(wǎng)絡(luò)速率，增加信道帶寬是第一要?jiǎng)?wù)。那么，就從4G的20M帶寬提升到100M，甚至400M吧！

可是常用的頻段都讓2G/3G/4G給占了，連WiFi也占了一大段，留給5G的已經(jīng)不多。巧婦難為無(wú)米之炊，這可怎么辦？

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5G 毫米波的引入

于是，5G將眼光投向一片新的處女地。這里不但帶寬豐沛，而且大部分都空閑著，正好為5G施展拳腳所用，真是一片流著蜜與奶的好地方。

▲5G毫米波候選頻譜

這片處女地就是“毫米波”，又叫5G高頻，一般指頻率在30GHz到300GHz這段范圍內(nèi)的頻譜，相對(duì)于傳統(tǒng)的Sub6G來說頻率要高得多，頻率越高波長(zhǎng)越短。

▲頻率越高，波長(zhǎng)越短

根據(jù)電磁波的“波長(zhǎng)λ=光速C÷頻率f”這個(gè)公式可以得出，該段頻譜的波長(zhǎng)在1毫米到10毫米之間，因此得名“毫米波”，又叫mmWave，實(shí)際5G所用的毫米波下限是24GHz。

下圖是5G毫米波的候選頻段，可以看出，相比于擁擠的Sub6G頻譜（2G/3G/4G/WiFi都在這一段狹窄的范圍內(nèi)），毫米波的頻譜資源簡(jiǎn)直是太豐富了！就這還只是毫米波頻段的一小部分而已。

、▲5G毫米波的帶寬極為豐沛

目前標(biāo)準(zhǔn)確定的5G毫米波頻譜叫FR2 (Frequency Range 2)集中在24GHz到29GHz這5G帶寬，也基本可以滿足5G初始部署階段的需求了。

▲標(biāo)準(zhǔn)化的5G毫米波頻譜

既然毫米波的資源這么豐富，為什么現(xiàn)在2G/3G/4G都非要擠在低頻Sub6G不可，甚至5G也首先在Sub6G來部署？

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毫米波的致命弱點(diǎn)

這是因?yàn)楹撩撞ㄓ兄旅娜觞c(diǎn)——覆蓋差。

電磁波的在空氣中的傳播有個(gè)特點(diǎn)，就是頻率越高，損耗越快，繞射，穿透能力越差。典型的損耗分類有下面這幾種：

1. 自由空間路徑損耗：由于信號(hào)能量在自由空間的擴(kuò)散，在傳播了一定距離后，信號(hào)能量會(huì)發(fā)生衰減，功率損耗量和頻率的平方成反比。舉例來說，也就是頻率增大3倍，損耗就會(huì)增加9倍！

▲頻率越高，自由空間損耗越大

2. 繞射損耗：電磁波傳播過程中由障礙物引起的附加傳播損耗。頻率越高，繞射能力越差，繞射損耗越高。

▲頻率越高，繞射損耗越大

3. 穿透損耗：電磁波傳播過程中，穿透建筑，花草樹木等障礙物產(chǎn)生的損耗。頻率越高，穿透能力越差，穿透損耗越高。

▲頻率越高，穿透損耗越大（穿透樹木）

▲頻率越高，穿透損耗越大（穿透建筑）

4. 雨衰損耗：電磁波信號(hào)因大氣中的雨、雪、冰的吸收，散射等現(xiàn)象導(dǎo)致信號(hào)減弱的現(xiàn)象。通常頻率越高，衰減越大。

▲5G毫米波受天氣的影響非常嚴(yán)重

信號(hào)在空間中的傳播是上述幾種衰減方式的總和。如果用低頻2.6GHz和高頻28GHz進(jìn)行對(duì)比，在信號(hào)傳播路徑相同的情況下，經(jīng)歷的衰減如下圖所示。

▲5G毫米波經(jīng)歷的層層損耗

毫米波28GHz由于頻率高，每一步經(jīng)歷的衰減都要比2.6GHz多得多：

①自由空間損耗：多20dB；

②繞射損耗：多10dB；

③樹木穿透損耗：多8dB；

④房屋穿透損耗：多14dB；

⑤室內(nèi)傳播損耗：多5dB。

把這些值加起來，可以得出：同樣的發(fā)射功率，經(jīng)歷同樣的傳播路徑，最終用戶收到28GHz的信號(hào)是2.6GHz信號(hào)強(qiáng)度的百萬(wàn)分之一！

▲和2.6GHz相比，毫米波的傳播損耗非常大

毫米波的覆蓋這么差，看來這片“流著奶與蜜的處女地”確實(shí)不是那么好開發(fā)。但其大帶寬高速率的誘惑是無(wú)法抗拒的，因此在使用中就必須揚(yáng)長(zhǎng)避短。

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5G 毫米波的部署之『術(shù)』

首先，怎么揚(yáng)長(zhǎng)呢？最重要的方式是：

波束賦形

一般情況下，天線單元使用半個(gè)波長(zhǎng)效率最高，因此電磁波的波長(zhǎng)越短，所需要的發(fā)射和接收天線單元也就越小。

▲頻率越高，電磁波的波長(zhǎng)越短，所需要的發(fā)射和接收天線單元也就越小

而毫米波的特點(diǎn)正是波長(zhǎng)短，所以天線的尺寸可以很小，在同樣的面積下可以容納更多的天線。通過調(diào)整天線陣列的基本單元的參數(shù)，使得某些角度的信號(hào)獲得增強(qiáng)干涉，而另一些角度的信號(hào)獲得抵銷干涉，從而使信號(hào)在特定的方向上增強(qiáng)，這就是波束賦形。

▲頻率越高，天線數(shù)量越多，賦形效果越好

波束賦形能力取決于天線單元的個(gè)數(shù)，個(gè)數(shù)越多，波束越窄，越能波束集中能量對(duì)準(zhǔn)用戶，提升覆蓋規(guī)避干擾，賦形效果也就越好。

下圖中的5G毫米波設(shè)備含有256個(gè)天線單元，每64個(gè)為一組，通過波束賦形來生成窄波束，因此該設(shè)備一共能提供4個(gè)波束來進(jìn)行高速服務(wù)。這種實(shí)現(xiàn)方式是目前毫米波設(shè)備的主流。

▲真實(shí)的5G毫米波設(shè)備

有了波束賦形的加持，毫米波的一個(gè)個(gè)窄波束可以集中能量，精確對(duì)準(zhǔn)并跟蹤用戶移動(dòng)，帶來更好的用戶體驗(yàn)并降低干擾。

▲波束賦形在工作

下面再說下5G毫米波是怎么避短的。

1.微站超密組網(wǎng)

首先，宏覆蓋就別想了，要宏覆蓋找低頻去。咱毫米波就安心做微站和室內(nèi)站，覆蓋熱點(diǎn)區(qū)域和室內(nèi)就好，畢竟這些地方人多，流量需求大，更需要5G。

▲毫米波更適用于微站覆蓋

如果有區(qū)域的流量需求持續(xù)升高，從熱點(diǎn)變成了沸點(diǎn)，甚至到達(dá)了爆點(diǎn)，毫米波的覆蓋距離雖然近，但可以布地密一點(diǎn)，再密一點(diǎn)，成為超密組網(wǎng)。

▲5G毫米波超密組網(wǎng)

2.高低頻宏微協(xié)同組網(wǎng)

為了彌補(bǔ)毫米波的覆蓋問題，還可以和低頻Sub6G協(xié)同組網(wǎng)，同時(shí)使用兩個(gè)頻段，低頻負(fù)責(zé)控制面，高頻負(fù)責(zé)用戶面，這樣既可以進(jìn)行無(wú)感知的小區(qū)切換，還能享用高頻帶來的極致速率。

▲5G高低頻宏微協(xié)同組網(wǎng)

總之就是，毫米波是5G實(shí)現(xiàn)eMBB業(yè)務(wù)的殺手锏。雖然毫米波有很大缺點(diǎn)，但只有優(yōu)點(diǎn)夠突出，這些缺點(diǎn)都是可以用各種各樣的技術(shù)方案來彌補(bǔ)的。