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5G科普系列《我和我的5G》| (二)5G頻譜篇

【字體: 2019年10月17日 10:30 來源:國家無線電監測中心 作者:劉艷潔

5G相比 4G在數據傳輸速率、容量和時延等方面都有較大的飛躍。5G所帶來的一系列新技術(詳情請看技術篇),將會在從無人駕駛汽車到智能城市、從虛擬現實到作戰網絡等各領域重新建立業務服務標準。

前文提到,通信技術按傳輸介質劃分為有線技術和無線技術兩種,如圖1所示。比如兩個人之間打電話,信息數據要么在實物上傳播(看得見、摸得著的介質)——有線通信;要么在空中傳播(看不見、摸不著的電磁波)——無線通信。

圖1 有線通信和無線通信

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

最初的固定電話通信采用的就是有線通信,要進行通信必須提前架設有線電纜等基礎設施,花費的通信成本較高,而且通信地點受限。在有線介質上傳播數據,想要高速很容易;實驗室中,單條光纖最大速度已達到26Tbps(1Tbps = 1000 Gbps = 1000×1000 Mbps),是傳統網線的兩萬六千倍。

空中的電磁波傳送部分,是移動通信的瓶頸所在,5G關鍵技術要解決的重點問題也在于此。電磁波的頻譜資源有限,根據不同的頻率特性有不同的用途,如圖2所示。目前,無線通信的主要研究對象為3000GHz以下的無線電波。光波通信也有研究,例如可見光通信LiFi(Light Fidelity)。

圖2 不同頻率的電磁波(頻譜)

無線通信最基礎的資源是頻譜,移動通信發展的動力來源于更好利用的無線電頻譜建立連接,以使更多設備可以同時訪問移動互聯網。

電波屬于電磁波的一種,頻率資源也是有限的,為了避免干擾和沖突,我們將電波這條“公路”劃分為不同的“車道”——頻段,劃分給不同的對象或用途,如表1所示。從表中可以看出,移動通信之前主要使用的是用中頻~超高頻頻段。目前主流的4G LTE屬于超高頻或特高頻;我國LTE主要在1.8-2.6GHz的特高頻頻段。

隨著移動通信1G、2G、3G、4G的發展,使用的頻率越來越高,這是因為頻率越高,頻段越“干凈”,移動通信與其它無線電業務競爭頻譜的機會越大,可獲得的連續頻帶越寬,速度越快。也就是說,更高的頻率->更大的帶寬->更快的速度。類似于高速公路的車道越寬,車道數倍增,如圖3所示。

表1 不同頻段電磁波的劃分

圖3 頻率越高帶寬越大

另一方面,無線電波屬于電磁波,因此滿足光速公式:

其中c是光速,固定值,真空中理論值為3*10^8m/s,為波長,v是頻率。根據該公式,頻率越高,波長越短,波的繞射性越差,就越趨近于直線傳播;例如,激光筆的光波傳播、衛星的接收天線必須校準瞄準衛星方向等。而且頻率越高,傳播過程中的衰減也越大,覆蓋范圍會減小。因此,無線通信頻率不能一味追求高頻率,而應該在頻率與帶寬中選擇合理的折中。

在現有5G的一些文章中,一個誤區是認為5G重點使用高頻段或毫米波。那么什么是我們說的5G高頻段?5G高頻段一般是指6GHz以上的頻段,其連續大帶寬可滿足熱點區域極高的用戶體驗速率和系統容量需求,但覆蓋能力較弱,難以實現全網覆蓋,因此需要與6GHz以下的中低頻段聯合組網,作為補充。國際電信聯盟(ITU)在2015年世界無線電大會(WRC-15)上為WRC-19設立了5G高頻段議題1.13,在6GHz以上頻段為IMT系統尋找可用的頻率,研究范圍為24.25-86GHz。由于30-300GHz的無線電波波長為10-1mm,5G高頻段也被稱為毫米波段。

中低頻段只指6GHz以下的頻段。其中,中頻段的具體范圍沒有明確的定義,但一般是指3-6GHz,中頻段相對高頻段具有較好的傳播特性,覆蓋范圍較大;相對于低頻段有更寬的連續帶寬,可以實現覆蓋和容量的平衡。2015年國際電聯批準“IMT-2020”作為5G的正式名稱,其與已有的IMT-2000 (3G)、IMT-Advanced (4G)組成新的IMT系列,這標志著在國際電聯《無線電規則》現有標注給IMT系統使用的頻段均可考慮作為5G系統的中低頻段。但由于中頻段大多已有其他業務的存在,因此需要考慮與現有業務共用同一頻段可能造成的干擾,以及干擾協調問題。

2017年,我國工信部正式為5G系統規劃了中頻段頻率資源:3.3-3.6GHz和4.8-5.0GHz(來源:工業和信息化部網站http://www.miit.gov.cn/n1146295/n1652858/n1652930/n3757020/c5907905/content.html)。由于中頻段兼具覆蓋性和較大帶寬,是我國目前5G發展的重點頻段。同時,26GHz、40GHz等高頻段正在開展研究當中,將于2019年10月召開的世界無線電通信大會(WRC-19)上在國際范圍內最終討論決定。

如果按照26GHz來計算,波長約為11.5mm,這是5G技術中的一部分——使用毫米波。5G采用高頻段面臨的最大問題就是覆蓋能力會大幅減小,如圖4所示,覆蓋同一個區域所需的5G基站數將遠超過4G,這也是運營商為什么都要爭取低頻段頻譜資源,可以大大減小覆蓋某一區域的基站數量。為了提供更優質的覆蓋效果,5G提出了新的解決方案——微基站,如圖5所示。與之相比,之前大范圍覆蓋的基站被稱為宏基站,微基站的建設成本大大降低。而且基站小巧,數量越多,覆蓋就越好,速度越快。

圖4 5G基站覆蓋

圖5 宏基站與微基站

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

4G中已經使用的MIMO(Multiple-Input Multiple-Onput,多入多出,多根天線接收,多根天線發送)技術,在5G中改進成了增強版Massive MIMO。基于天線陣列,通過對射頻信號相位的控制,使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常窄,并指向它所服務的手機,而且能根據手機的轉移而轉變方向,這就是波束賦形。這是一種空間復用技術,由全向的信號覆蓋變為了精準指向性服務,波束之間不會干擾,在相同的空間中提供更多的通信鏈路,極大地提高了基站的服務容量。

圖6是部分5G發展較快的國家5G頻譜規劃圖。目前,全球5G部署側重于中頻段頻譜(主要是3.4-4.2GHz)和24GHz以上的特定頻段。中頻段頻譜資源對早期5G部署至關重要,多個已規劃的5G正式商用都將采用中頻段頻譜,特別是在3GHz頻段,在2019年即將投入使用的多數5G設備也將支持這一頻段。同時,也有部分國家青睞5G毫米波,形成毫米波、中頻段同步推進的局面。毫米波頻段,正如前面提到的,將于WRC-19大會形成決議后,逐步開始部署應用。

圖6 部分國家的5G頻譜

(來源:微信公眾號“CAICT5G創新研究中心”)

通信的目的是更好、更多、更快地傳輸信息,這個過程在1G到5G的發展過程中遵從于通信的基本定律——香農定律。從香農定律來看,人類未來如果想做更好的通信,將會走向更大的帶寬,甚至更高的頻率。比如在暢想6G愿景時,人們提出了可見光通信以及太赫茲技術,這些領域的通信將會面臨比毫米波更大的技術挑戰,也會對網絡部署提出新的課題。此外,還有很多關于頻譜共享的研究,以期未來不同通信系統可以共用頻譜,使頻譜的使用可以越來越靈活。不管如何發展,萬變不離其宗的是“用好存量,找好增量”這兩個頻譜利用的永恒課題。未來如何往,我們拭目以待。

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