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5G科普系列《我和我的5G》| (二)5G频谱篇

【字体: 2019年10月17日 10:30 来源:国家无线电监测中心 作者:刘艳洁

5G相比 4G在数据传输速率、容量和时延等方面都有较大的飞跃。5G所带来的一系列新技术(详情请看技术篇),将会在从无人驾驶汽车到智能城市、从虚拟现实到作战网络等各领域重新建立业务服务标准。

前文提到,通信技术按传输介质划分为有线技术和无线技术两种,如图1所示。比如两个人之间打电话,信息数据要么在实物上传播(看得见、摸得着的介质)——有线通信;要么在空中传播(看不见、摸不着的电磁波)——无线通信。

图1 有线通信和无线通信

(来源:https://mp.weixin.qq.com/s/8p-XCBEvqu_g8APVD9SXQQ)

最初的固定电话通信采用的就是有线通信,要进行通信必须提前架设有线电缆等基础设施,花费的通信成本较高,而且通信地点受限。在有线介质上传播数据,想要高速很容易;实验室中,单条光纤最大速度已达到26Tbps(1Tbps = 1000 Gbps = 1000×1000 Mbps),是传统网线的两万六千倍。

空中的电磁波传送部分,是移动通信的瓶颈所在,5G关键技术要解决的重点问题也在于此。电磁波的频谱资源有限,根据不同的频率特性有不同的用途,如图2所示。目前,无线通信的主要研究对象为3000GHz以下的无线电波。光波通信也有研究,例如可见光通信LiFi(Light Fidelity)。

图2 不同频率的电磁波(频谱)

无线通信最基础的资源是频谱,移动通信发展的动力来源于更好利用的无线电频谱建立连接,以使更多设备可以同时访问移动互联网。

电波属于电磁波的一种,频率资源也是有限的,为了避免干扰和冲突,我们将电波这条“公路”划分为不同的“车道”——频段,划分给不同的对象或用途,如表1所示。从表中可以看出,移动通信之前主要使用的是用中频~超高频频段。目前主流的4G LTE属于超高频或特高频;我国LTE主要在1.8-2.6GHz的特高频频段。

随着移动通信1G、2G、3G、4G的发展,使用的频率越来越高,这是因为频率越高,频段越“干净”,移动通信与其它无线电业务竞争频谱的机会越大,可获得的连续频带越宽,速度越快。也就是说,更高的频率->更大的带宽->更快的速度。类似于高速公路的车道越宽,车道数倍增,如图3所示。

表1 不同频段电磁波的划分

图3 频率越高带宽越大

另一方面,无线电波属于电磁波,因此满足光速公式:

其中c是光速,固定值,真空中理论值为3*10^8m/s,为波长,v是频率。根据该公式,频率越高,波长越短,波的绕射性越差,就越趋近于直线传播;例如,激光笔的光波传播、卫星的接收天线必须校准瞄准卫星方向等。而且频率越高,传播过程中的衰减也越大,覆盖范围会减小。因此,无线通信频率不能一味追求高频率,而应该在频率与带宽中选择合理的折中。

在现有5G的一些文章中,一个误区是认为5G重点使用高频段或毫米波。那么什么是我们说的5G高频段?5G高频段一般是指6GHz以上的频段,其连续大带宽可满足热点区域极高的用户体验速率和系统容量需求,但覆盖能力较弱,难以实现全网覆盖,因此需要与6GHz以下的中低频段联合组网,作为补充。国际电信联盟(ITU)在2015年世界无线电大会(WRC-15)上为WRC-19设立了5G高频段议题1.13,在6GHz以上频段为IMT系统寻找可用的频率,研究范围为24.25-86GHz。由于30-300GHz的无线电波波长为10-1mm,5G高频段也被称为毫米波段。

中低频段只指6GHz以下的频段。其中,中频段的具体范围没有明确的定义,但一般是指3-6GHz,中频段相对高频段具有较好的传播特性,覆盖范围较大;相对于低频段有更宽的连续带宽,可以实现覆盖和容量的平衡。2015年国际电联批准“IMT-2020”作为5G的正式名称,其与已有的IMT-2000 (3G)、IMT-Advanced (4G)组成新的IMT系列,这标志着在国际电联《无线电规则》现有标注给IMT系统使用的频段均可考虑作为5G系统的中低频段。但由于中频段大多已有其他业务的存在,因此需要考虑与现有业务共用同一频段可能造成的干扰,以及干扰协调问题。

2017年,我国工信部正式为5G系统规划了中频段频率资源:3.3-3.6GHz和4.8-5.0GHz(来源:工业和信息化部网站http://www.miit.gov.cn/n1146295/n1652858/n1652930/n3757020/c5907905/content.html)。由于中频段兼具覆盖性和较大带宽,是我国目前5G发展的重点频段。同时,26GHz、40GHz等高频段正在开展研究当中,将于2019年10月召开的世界无线电通信大会(WRC-19)上在国际范围内最终讨论决定。

如果按照26GHz来计算,波长约为11.5mm,这是5G技术中的一部分——使用毫米波。5G采用高频段面临的最大问题就是覆盖能力会大幅减小,如图4所示,覆盖同一个区域所需的5G基站数将远超过4G,这也是运营商为什么都要争取低频段频谱资源,可以大大减小覆盖某一区域的基站数量。为了提供更优质的覆盖效果,5G提出了新的解决方案——微基站,如图5所示。与之相比,之前大范围覆盖的基站被称为宏基站,微基站的建设成本大大降低。而且基站小巧,数量越多,覆盖就越好,速度越快。

图4 5G基站覆盖

图5 宏基站与微基站

(来源:https://mp.weixin.qq.com/s/tHj_tRryBftw-lr6nDAO7A)

4G中已经使用的MIMO(Multiple-Input Multiple-Onput,多入多出,多根天线接收,多根天线发送)技术,在5G中改进成了增强版Massive MIMO。基于天线阵列,通过对射频信号相位的控制,使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常窄,并指向它所服务的手机,而且能根据手机的转移而转变方向,这就是波束赋形。这是一种空间复用技术,由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务,波束之间不会干扰,在相同的空间中提供更多的通信链路,极大地提高了基站的服务容量。

图6是部分5G发展较快的国家5G频谱规划图。目前,全球5G部署侧重于中频段频谱(主要是3.4-4.2GHz)和24GHz以上的特定频段。中频段频谱资源对早期5G部署至关重要,多个已规划的5G正式商用都将采用中频段频谱,特别是在3GHz频段,在2019年即将投入使用的多数5G设备也将支持这一频段。同时,也有部分国家青睐5G毫米波,形成毫米波、中频段同步推进的局面。毫米波频段,正如前面提到的,将于WRC-19大会形成决议后,逐步开始部署应用。

图6 部分国家的5G频谱

(来源:微信公众号“CAICT5G创新研究中心”)

通信的目的是更好、更多、更快地传输信息,这个过程在1G到5G的发展过程中遵从于通信的基本定律——香农定律。从香农定律来看,人类未来如果想做更好的通信,将会走向更大的带宽,甚至更高的频率。比如在畅想6G愿景时,人们提出了可见光通信以及太赫兹技术,这些领域的通信将会面临比毫米波更大的技术挑战,也会对网络部署提出新的课题。此外,还有很多关于频谱共享的研究,以期未来不同通信系统可以共用频谱,使频谱的使用可以越来越灵活。不管如何发展,万变不离其宗的是“用好存量,找好增量”这两个频谱利用的永恒课题。未来如何往,我们拭目以待。

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