5G科普系列《我和我的5G》 (二)频谱篇
日期:2024-06-21 22:54:00   来源:云开官网ios版

  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 有线通信和无线通信

  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,花费的通信成本比较高,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。

  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,以使更多设备能同时访问移动互联网。

  电波属于电磁波的一种,频率资源也同样是有限的,为了尽最大可能避免干扰和冲突,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。从表中能够准确的看出,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。

  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

  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使用者真实的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,因此就需要与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GHz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G高频段也被称为

  中低频段只指6GHz以下的频段。其中,中频段的具体范围没明确的定义,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,能轻松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别的业务的存在,因此就需要考虑与现有业务共用同一频段会造成的干扰,以及干扰协调问题。

  中频段频率资源:3.3-3.6GHz和4.8-5.0GHz(来源:工业与信息化部网站)。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)上在国际范围内最终讨论决定。

  毫米波。5G采用高频段面临的最严重的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,可以大幅度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

  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G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很窄,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年即将投入到正常的使用中的多数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。

  通信的目的是更好、更多、更快地传输信息,这样的一个过程在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能共用频谱,使频谱的使用可以越来越灵活。不管怎么样发展,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。