毫米波,让5G回归初心

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话说5G在中国已经商用了一年有余,用户发展迅猛,越来越多的人都已经换上了5G手机和5G套餐。

既如此,我们不禁要问一句:网速如何呀?

一、5G的愿景实现了吗?

据中国信通院在2020中的统计结果,三大运营商的5G平均下载速率在500到600Mbps之间,是4G的10倍有余。

3.1

看起来还挺不错呀,5G就是牛!

但别忘了,5G的用户发展虽然快,但人数还是远小于4G的。一旦越来越多的人跟你抢带宽的时候,这平均速度可就要降下来了。

再说了,难道5G就仅仅是快一些的4G吗?

经历过无限希冀的降生,砥砺前行的萌芽,以及血脉贲张的疾速发展,5G,你是否还记得自己最初的梦想?

在梦想中,你的征途是那万物互联的星辰大海。

3.2

在你的愿景中,有极致的移动宽带,海量机器互联,以及超高可靠性低时延通信。敢问,都实现了多少?

3.3

峰值20Gbps的极致速率,实现了吗?

时延小于1ms的行业应用,实现了吗?

海量机器连接的物联网,发展地如何?

其实大家心里都很清楚,革命尚未成功,同志仍需努力啊!

因此,无数希望的目光,都投向了一片尚待开垦的处女地:毫米波。

这片处女地在1G到4G时代一直是一片蛮荒,丰饶的同时却也荆棘丛生,正是5G要征服的目标。

惟有毫米波,才能引领5G达成既定的峰值速率,同时,在降低时延方面也是无可替代的存在。

二、5G毫米波的优点突出

     毫米波的频谱极度丰饶

毫米波,一般指频率在30GHz到300GHz这段范围内的无线电频谱,跟传统的无线频谱相比,频率要高得多,因此也叫做高频。

根据电磁波的 “ 波长=光速÷频率 ” 这个公式,该段频谱的波长在1毫米到10毫米之间,这就是“毫米波”的由来。实际5G所用的毫米波在24GHz到100GHz之间。

3.4

下图是5G毫米波的候选频段,可以看出,相比于拥挤的Sub6G频谱(频率低于6GHz的频谱,2G/3G/4G/WiFi都在这一段狭窄的范围内),毫米波的频谱资源简直是太丰富了!

3.5

毫米波的5.5GHz-47GHz、47.2GHz-48.2GHz这两段,仅可用于部分国家,其余频段可在全球使用。

相比之下,在Sub6G的两个主流频段,3.5GHz和2.6GHz上共有约1GHz的频谱能给5G用,但还要被卫星,雷达啥的占上一大块,剩下的几个运营商一分,一家能拿到100M就算土豪了。

而毫米波则完全不同,可分的带宽极大,每个运营商拿上个800MHz,甚至1GHz的带宽轻轻松松。频谱资源多了,就好比路宽了,畅通无阻,网速自然就快了啊!

按毫米波800M带宽计算,小区峰值速率就达到13Gbps了,再加上Sub6G上100M带宽的7Gbps,总速率就到20Gbps了,5G增强型移动宽带愿景达成!

     毫米波可支持超低时延

5G采用OFDM技术,把会把载波带宽划分成一个个的子载波,同时,在时间上也会分成一个个的时隙,用子载波和时隙这两个维度一起用来传数据。

子载波宽度和时隙长度成反比,毫米波采用的子载波间隔比Sub6G宽得多,一般为120KHz,因此每个时隙的长度就可以很短,为0.125ms,仅为Sub6G(常用30KHz子载波间隔)的四分之一。

3.6

5G是以时隙为单位调度数据的,时隙长度越短,意味着5G在物理层的时延越小。这样一来,毫米波的时延也就仅为Sub6G的四分之一!

3.7

嗯,看起来很厉害的样子,5G的低时延需求,也可以解决了!

     毫米波更易实现波束赋形

一般情况下,天线单元的尺寸为半个波长时,效率最高。因此电磁波的波长越短,所需要的天线单元也就越小。

3.8

频率越高,电磁波的波长越短,所需要的发射和接收天线单元也就越小

毫米波的特点正是波长短啊!所以天线的尺寸可以很小,在同样的面积下可以容纳更多的天线。

天线一多,密密麻麻地排成一个方阵,就组成了天线阵列。

通过调整天线阵列上多个天线的权值,就能把信号的能量集中在起来,就像手电筒一样对准手机精确覆盖,这就是波束赋形。

3.9

频率越高,天线数量越多,赋形效果越好

波束赋形能力取决于天线单元的个数,个数越多,波束越窄,越能波束集中能量对准用户,提升覆盖规避干扰,赋形效果也就越好。

下图中的5G毫米波设备含有256个天线单元,每64个为一组,通过波束赋形来生成窄波束,因此该设备一共能提供4个波束来进行高速服务。

3.10

真实的5G毫米波设备

目前,主流的毫米波AAU内集成的天线单元数量已经达到了512,甚至768个,相信过不了多久,就能塞下1024个天线了。

有了波束赋形的加持,毫米波的一个个窄波束可以集中能量,精确对准并跟踪用户移动,带来更好的用户体验并降低干扰。

3.11

波束赋形在工作

     毫米波可支持高精度定位

毫米波有波束赋形的加持,波束窄、方向性好,有极高的空间分辨力,同时由于时延小,可以实现超高精度的定位。

R17版本协议计划做到厘米级别的定位,完全可以碾压GPS,尤其是在室内这种卫星信号不好的地方。

3.12

支持毫米波的5G NR增强特性(图片来自高通)

三、5G毫米波的致命缺点

欲戴皇冠,必承其重。毫米波有这么多的优点,缺点只有一个,但却是致命的。

那就是,覆盖差啊!

可谓天命难违,毫米波频率高,损耗快,绕射,穿透能力差,覆盖也就差上加差。

到底有多差呢?下面几种典型的传播损耗,可谓刀刀见血,把毫米波虐地泣不成声。

    路径损耗:信号能量在自由空间的扩散,信号必定是越远越弱,能量损耗和频率的平方成反比。举例来说,也就是频率增大3倍,损耗就会增加9倍!

3.13

频率越高,自由空间损耗越大

    绕射损耗:电磁波传播过程中由障碍物引起的附加传播损耗。频率越高,绕射能力越差,绕射损耗越高。

3.14

频率越高,绕射损耗越大

    穿透损耗:电磁波传播过程中,穿透建筑,花草树木等障碍物产生的损耗。频率越高,穿透能力越差,穿透损耗越高。

3.15

频率越高,穿透损耗越大(穿透树木)

 

3.16

频率越高,穿透损耗越大(穿透建筑)

    雨衰损耗:电磁波信号因大气中的雨、雪、冰的吸收,散射等现象导致信号减弱的现象。通常频率越高,衰减越大。

3.17

5G毫米波受天气的影响非常严重

信号在空间中的传播是上述几种衰减方式的总和。如果用低频2.6GHz和高频28GHz进行对比,在信号传播路径相同的情况下,经历的衰减如下图所示。

3.18

5G毫米波经历的层层损耗

毫米波28GHz由于频率高,每一步经历的衰减都要比2.6GHz多得多:

  1. 自由空间损耗:多20dB;
  2. 绕射损耗:多10dB;
  3. 树木穿透损耗:多8dB;
  4. 房屋穿透损耗:多14dB;
  5. 室内传播损耗:多5dB。

把这些值加起来,可以得出:同样的发射功率,经历同样的传播路径,最终用户收到28GHz的信号是2.6GHz信号强度的百万分之一!

3.19

毫米波的覆盖这么差,看来这片看似丰饶的处女地确实不是那么好开发。

几乎可任何东西都可以挡住毫米波信号,电话亭、一棵树、玻璃、雨伞、甚至是...空气,只要基站和手机之间有遮挡,可能转个身,网络会立刻回落到4G。

3.20

毫米波被树木遮挡(图源:LuxCarta)

甚至旁边走来个人,就可以让5G毫米波的信号彻底坠入谷底。

3.21

“胖砸,你挡住我的信号啦!”

但是,毫米波大带宽高速率低时延的诱惑实在是太强烈了,简直是无法抗拒。

因此,有条件要上,没有条件创造条件也要上!

四、5G毫米波如何应用?

     毫米波有哪些应用场景?

尺有所短,寸有所长。要用好毫米波,首先必须要摆正心态,把它用在对覆盖要求不是那么高,但是对带宽和时延的要求极高的场景。

毫米波的超大容量,自然最适合用在人头攒动的体育场,火车站,或者密集商务区,大型集会现场这样的流量爆点了。

3.22

另外,作为有线光纤的补充,毫米波的大容量还可以用作固定接入(也叫FWA,固移融合)。

其实就是将5G信号通过毫米波传送给用户家庭CPE设备,然后转换为Wi-Fi或有线信号,让用户实现宽带上网。

3.23

由于我国的光纤基础设施比较完善,所以宽带接入基本以光纤为主。但是国外很多国家并没有如此丰富的光纤资源,光纤敷设成本也很高,就会考虑CPE等无线宽带接入方式。

下来就是5G心心念念的行业应用了。

5G毫米波的大带宽,低时延,再和边缘计算、人工智能等技术结合,可以为像园区、厂区、码头、港口等覆盖区域提供各种定制化的企业级服务。

3.24

这就是大家耳熟能详的智慧园区、智慧工厂、智慧医院、智慧学校、智慧码头等应用。

比如,典型的工业机器人要求 1 毫秒时延和 99.9999% 的连接可用率;工业手持设备和监控摄像头等则不仅要求能够支持更高的清晰度和帧率,连接设备密度非常大。因此在工业互联网场景下,5G毫米波不可或缺。

3.25

然后,在毫米波的正确使用场景上,再考虑怎样尽最大可能去增强覆盖。

     毫米波怎样增强覆盖?

还记得前面介绍过的波束赋形吗?

3.26

有了波束赋形,相当于灯泡变手电筒,发射能量集中了,自然覆盖也就远了。

再加上波束搜索、波束跟踪以及波束切换等技术,即使手机在部分方向的直射信号的被遮挡了,也能迅速捕捉到反射路径,形成新波束并动态地切换。

这样一来,毫米波就跳出了只能视距传播的桎梏,覆盖再次增强!

你以为这就完了?下面还有更炫酷的。

R16协议引入的集成接入及回传(Integrated Access Backhaul,IAB)技术,可以让毫米波既做接入,也做回传,不需要拉光纤,一串基站就能自我级联,覆盖扩展。

3.27

图中的Access就是接入,Backhual就是回传

最后,由于毫米波的波长小,天线也就小,内部其他元器件再紧凑设计一下,5G毫米波基站的体积可以非常小,非常适用于灵活部署,夹缝生存。

由于方便隐藏,因此多来一些小基站也是非常方便的,这也是增强覆盖和容量的重要途径。

五、5G毫米波的现状和未来

由于毫米波大带宽低时延的优点实在太过突出,也有技术能弥补致命的覆盖问题,应用场景还很广泛,自然成了5G下一阶段的焦点。

截止2020年底,全球已有43个国家的132个运营商都在投资毫米波。美国,日本,韩国等地方是毫米波商用的急先锋,欧洲的频谱拍卖也是如火如荼。

3.28

来源:GSA 5G毫米波生态报告(2020年11月)

同时,也已经有近100款终端宣称支持毫米波,其中46款已经商用。毫米波从网络到终端的生态链都已趋于成熟。

3.29

来源:GSA 5G毫米波生态报告(2020年11月)

中国也早在2017年就开始了毫米波的技术研究和实验。

2020年,工信部明确提出:将结合国家频率规划进度安排,组织开展毫米波设备和性能测试,为 5G 毫米波技术商用做好储备,适时发布部分 5G 毫米波频段频率使用规划。

因此,近两年毫米波在中国商用落地也基本是板上钉钉。

目前最让人期待的,莫过于2022年冬奥会的5G毫米波应用了。

冬奥会作为大型赛事,必然面临大量的上行流量需求,比如超高清视频的直播,以及现场大量摄像机360°视频实时回传,视频监控与安保等等。

同时,现场的大量的观众,媒体,运动员及工作人员,也会在较小的区域内产生超高的下行流量以及超密集的连接,用于全息访谈、VR/AR观赛,及其他个人数据业务。

3.30

毫米波,作为极致5G体验的最佳选择,必将会在北京冬奥会上大放异彩。

而这一切,仅仅只是5G初心的冰山一角。

来源: 无线深海

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