5G的超高下載速率是怎么做到的？
2019-04-20 10:11:23 無線深海01
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5G eMBB實現之『道』
增強型移動寬帶(eMBB)，是現階段5G最重要的發展方向，也是我們看得見摸得著的未來。
在5G基站下，國際電聯的愿景是單小區可達20Gbps的速率。而在巴塞展上，國內的5G先鋒中興通訊曾經演示過驚人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”兩方面來理解。“道”可認為是提供支撐的理論基礎，“術”就是在此之上的實現方法。
兩千五百年前，中國偉大的思想家老子曾說過：“道生一，一生二，二生萬物”。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，但盡管“道”難以說清，還是有人為此孜孜不倦。70年前，美國的克勞德•香農發表了一篇劃時代的論文《通信的數學理論》，從而成為了無線通信理論的奠基人，“道”終于“可道”了。
▲香農
香農公式，精確地描述了決定通信系統容量的幾個因素和它們之間的關系。作為移動通信之“道”，2G，3G，4G要遵從，5G照樣不例外。
▲香農公式
這個公式看起來非常的猙獰可怕，我們如果能鼓起勇氣硬著頭皮看一遍的話，就會發現，系統容量和信道帶寬成正比，或者說，信道帶寬越大，系統容量就越大！容量大了，不就是上網速度快了么？
5G的設計者也是這么想的：大幅提升網絡速率，增加信道帶寬是第一要務。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的已經不多。巧婦難為無米之炊，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這段范圍內的頻譜，相對于傳統的Sub6G來說頻率要高得多，頻率越高波長越短。
▲頻率越高，波長越短
根據電磁波的“波長λ=光速C ÷ 頻率f”這個公式可以得出，該段頻譜的波長在1毫米到10毫米之間，因此得名“毫米波”，又叫mmWave，實際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），毫米波的頻譜資源簡直是太豐富了！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
目前標準確定的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。
▲標準化的5G毫米波頻譜
既然毫米波的資源這么豐富，為什么現在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
這是因為毫米波有致命的弱點——覆蓋差。
電磁波的在空氣中的傳播有個特點，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：由于信號能量在自由空間的擴散，在傳播了一定距離后，信號能量會發生衰減，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：電磁波信號因大氣中的雨、雪、冰的吸收，散射等現象導致信號減弱的現象。通常頻率越高，衰減越大。
▲5G毫米波受天氣的影響非常嚴重
信號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進行對比，在信號傳播路徑相同的情況下，經歷的衰減如下圖所示。
▲5G毫米波經歷的層層損耗
毫米波28GHz由于頻率高，每一步經歷的衰減都要比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 室內傳播損耗：多5dB。
把這些值加起來，可以得出：同樣的發射功率，經歷同樣的傳播路徑，最終用戶收到28GHz的信號是2.6GHz信號強度的百萬分之一！
▲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”確實不是那么好開發。但其大帶寬高速率的誘惑是無法抗拒的，因此在使用中就必須揚長避短。
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5G 毫米波的部署之『術』
首先，怎么揚長呢？最重要的方式是：
波束賦形
一般情況下，天線單元使用半個波長效率最高，因此電磁波的波長越短，所需要的發射和接收天線單元也就越小。
▲頻率越高，電磁波的波長越短，所需要的發射和接收天線單元也就越小
而毫米波的特點正是波長短，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。通過調整天線陣列的基本單元的參數，使得某些角度的信號獲得增強干涉，而另一些角度的信號獲得抵銷干涉，從而使信號在特定的方向上增強，這就是波束賦形。
▲頻率越高，天線數量越多，賦形效果越好
波束賦形能力取決于天線單元的個數，個數越多，波束越窄，越能波束集中能量對準用戶，提升覆蓋規避干擾，賦形效果也就越好。
下圖中的5G毫米波設備含有256個天線單元，每64個為一組，通過波束賦形來生成窄波束，因此該設備一共能提供4個波束來進行高速服務。這種實現方式是目前毫米波設備的主流。
▲真實的5G毫米波設備
有了波束賦形的加持，毫米波的一個個窄波束可以集中能量，精確對準并跟蹤用戶移動，帶來更好的用戶體驗并降低干擾。
▲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
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站，覆蓋熱點區域和室內就好，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
如果有區域的流量需求持續升高，從熱點變成了沸點，甚至到達了爆點，毫米波的覆蓋距離雖然近，但可以布地密一點，再密一點，成為超密組網。
▲5G毫米波超密組網
2. 高低頻宏微協同組網
為了彌補毫米波的覆蓋問題，還可以和低頻Sub6G協同組網，同時使用兩個頻段，低頻負責控制面，高頻負責用戶面，這樣既可以進行無感知的小區切換，還能享用高頻帶來的極致速率。
▲5G高低頻宏微協同組網
總之就是，毫米波是5G實現eMBB業務的殺手锏。雖然毫米波有很大缺點，但只有優點夠突出，這些缺點都是可以用各種各樣的技術方案來彌補的。
