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毫米波、大規模天線、全雙工、波束賦形以及小小區隻是高速5G網絡所需的幾項關鍵技術
Amy Nordrum, Kristen Clark 以及IEEE Spectrum組成員
2017/1/27
以下文字部分為原文翻譯，與視頻語音内容不一緻。
原文章和視頻内容請參見：
http://spectrum.ieee.org/video/telecom/wireless/everything-you-need-to-know-about-5g
目前，移動用戶想要獲取更加快速的速率以及更加穩定的業務，5G網絡不但能夠滿足這些要求，還能夠超越更多。5G網絡中，用戶不僅能夠在幾秒内下載一部高清電影(LTE需要10分鐘)，它還能促進其它更多新技術的發展，如自動駕駛、虛拟現實以及物聯網等。
如果一切順利的話，運營商希望在2020年早期提供商用網絡。目前，雖然5G還處于計劃階段，但是運營商和商業團體已經開始一起研究采用5G來幹什麼了。大家都一緻認為：當用戶數和數據需求增加時，5G必須處理更快速、更大量的數據業務。
為了達到這個目标，無線工程師正在設計一系列關鍵技術。利用這些關鍵技術，可以實現毫秒級的數據傳送時延(4G網絡中大約70ms)，并為用戶提供20Gbps的下行峰值速率(4G網絡中隻有1Gbps)。
目前，尚不清楚哪種技術會在未來的5G發展中起到主導作用，但是一些受人喜歡的技術也已經暫露頭角了。這些先導技術包括毫米波、小小區、大規模天線、全雙工以及波束賦形。為了更好地理解5G網絡優于4G網絡的原因，有必要研究這5種關鍵技術，并分析它們對無線用戶來說分别意味着什麼。
毫米波
現今的無線網絡面臨一個問題，即越來越多的用戶和設備消耗的數據量遠大于以往，但是移動運營商卻仍然在使用之前的無線頻譜。這意味着每個用戶所獲取的帶寬越來越小，從而業務越來越慢，甚至經常掉線。
解決這個問題的最簡單的方法就是采用之前未曾使用的新頻譜來傳送信号。因此，運營商正在實驗采用高頻段的毫米波來傳送信号，其範圍為30~300GHz，不同于早期所使用的6GHz以下頻段。
毫米波的波長為1到10mm，而目前手機所使用的波長則為幾十厘米。之前，隻有衛星通信和雷達系統使用毫米波，但現在一些運營商也開始使用它們來進行固定點之間的數據通信，如在兩個基站間采用毫米波進行通信，但這也是一個全新的方法，需要加以深入研究。
但毫米波有一個嚴重的缺點，就是難以穿越建築物或者障礙，且易于被樹葉和雨水所吸收。這也就是為什麼5G網絡需要采用小小區技術來進行覆蓋增強。
小小區
小小區是便攜式小型基站，它的功耗較低，且可以每250m放置一個，在整個城市内進行部署時很方便。但是，為了避免信号衰落，運營商需要在城市内安裝上千個站，形成密集網絡，采用類似中繼的技術，從其它基站接收信号并轉發給其它任何位置上的用戶。
傳統的蜂窩網絡也依靠基站數的增加來改善性能，但是要滿足5G性能則需要更大型的網絡體系。慶幸的是，如果采用毫米波，則小小區中的天線比傳統天線小很多，因此适于安裝在燈杆或者建築物頂上。
這種完全不同的網絡結構能夠更有效地利用頻譜，其原因在于，站數多就表示基站和用戶間所使用的頻率在其它地方還可以複用，從而不同基站可以采用同一頻率為不同的用戶提供服務。但是也存在一個問題，那就是5G網絡中小小區的數量巨大，因此難以在鄉村地區進行部署。
除了采用毫米波之外，5G基站還具有更多的天線數，以便利用大規模MIMO (mMIMO)這項新技術。
大規模MIMO
4G基站具有很多天線端口，發送通常采用8個端口，接收通常采用4個端口。但是5G基站可以支持上百個端口，這意味着大量的天線需要對應到單個陣列上去。這個特性意味着基站可以同時與多個用戶進行信号的收發工作，從而使網絡容量增加22倍以上。
這項技術稱為大規模MIMO(即mMIMO)。MIMO表示多入多出，即無線系統采用2個或者多個收發機來同時收發多路數據。mMIMO将多個天線映射到一個陣列上，從而将MIMO這個概念提高到新的高度。
MIMO在4G基站中已經開始應用了。但是至今為止，MIMO僅在實驗室和有限的外場進行過測試。頻譜效率是每秒内一些用戶所傳送的數據比特數，早期的測試中，頻譜效率确實得到了很大提高。
mMIMO對未來的5G來說非常關鍵。然而，安裝這麼多天線來處理移動話務也會帶來很大幹擾，這就是為什麼5G基站必須使用波束賦形技術。
波束賦形(Beamforming)
采用波束賦形，基站可以采用更有效的傳送通路将數據發送給特定用戶，從而降低周圍用戶間的幹擾。不同形勢(situation)和技術下，5G網絡實現波束賦形的方法也不同。
波束賦形可以幫助mMIMO陣列更有效地利用頻譜。mMIMO的主要挑戰是同時采用多個天線收發數據時需要降低幹擾。mMIMO基站上，信号處理算法為每個用戶挑選最優空口傳輸路徑。然後，在不同方向上發送數據時，可以采用精确協調好的模式來控制建築物和其它物體間的信号傳送通路。通過對數據包的移動和達到時間進行設計，波束賦形使得mMIMO陣列上的多個用戶和天線可同時交換更多的信息。
對于毫米波來說，波束賦形主要用于解決信号易于受物體阻擋和路徑衰減較快的問題。這種情況下，波束賦形有助于将信号集中在指向用戶方向的波束上，而不是同時在多個方向上進行廣播。這種方法可以增強信号完整到達的機會，降低其它方向上的幹擾。
5G系統中，采用毫米波可以增強速率，采用mMIMO可以提高頻譜效率。除此之外，由于全雙工可以改變天線收發數據的路徑，因此工程師還嘗試采用全雙工來獲取更高的吞吐量和較低的時延。
全雙工
基站和手機可以采用相同頻率進行信息接收和發送，但是收發信機需要進行轉換(take turns)。當然，如果用戶想要同時收發信息，也可以采用不同的頻率。
5G系統中，采用全雙工技術，可以采用同一頻率同時進行數據的收發工作，它可以将物理層速率提高一倍。就像兩個人同時說話但是都能夠相互聽懂一樣。
一些戰争中已經利用笨重的設備來進行全雙工通信了。但是要在個人設備上實現全雙工通信還需要努力。比如，在天線同時收發數據時，研究人員必須設計一個電路來實現進/出信号的選路，以避免它們之間的碰撞。
實現全雙工的難度在于電波傾向于采用同一頻率在前向和後向進行傳送，即互易性準則。但是最近，專家們已經組合矽晶體作為高速轉換器來進行信号轉換，使它們能夠在相同頻率上同時進行信号的收發工作。
全雙工的一個缺點就是它會産生幹擾信号，形成煩人的回聲。當發射機發射信号時，信号與終端的天線很近，因此比它所接收到的所有信号都要強。期望天線同時收發就需要采用特殊的回聲抵消技術。
采用上述這些5G關鍵技術以及其它技術，工程師們希望建立無線網絡來為智能機用戶、VR遊戲以及自動駕駛等業務來提供服務。研究人員和運營商對5G提供低時延高速率服務充滿期待，如果他們能夠解決剩餘的一些挑戰，并指出如何将這些關鍵技術融合在一起，則超速5G業務在未來的5年内一定可以到達消費者手中。
字幕編寫(Writing Credits):
·Amy Nordrum–文章作者& Voice Over
制作:
·Celia Gorman–Executive Producer
·Kristen Clark–Producer
藝術指導和插圖(Art Direction and Illustrations):
·Brandon Palacio–Art Director
·Mike Spector–Illustrator
·Ove Edfors–Expert & Illustrator
特别感謝：IEEE Spectrum would like to thank the following experts for their contributions to this video: Harish Krishnaswamy, Columbia University; Gabriel M. Rebeiz, UCSD; Ove Edfors, Lund University; Yonghui Li, University of Sydney; Paul Harris, University of Bristol; Andrew Nix, University of Bristol; Mark Beach, University of Bristol.
（文章來源：5G通信技術）
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