目前，移動(dòng)用戶(hù)想要獲取更加快速的速率以及更加穩(wěn)定的業(yè)務(wù)，5G網(wǎng)絡(luò)不但能夠滿(mǎn)足這些要求，還能夠超越更多。5G網(wǎng)絡(luò)中，用戶(hù)不僅能夠在幾秒內(nèi)下載一部高清電影(LTE需要10分鐘)，它還能促進(jìn)其它更多新技術(shù)的發(fā)展，如自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)以及物聯(lián)網(wǎng)等。

如果一切順利的話，運(yùn)營(yíng)商希望在2020年早期提供商用網(wǎng)絡(luò)。目前，雖然5G還處于計(jì)劃階段，但是運(yùn)營(yíng)商和商業(yè)團(tuán)體已經(jīng)開(kāi)始一起研究采用5G來(lái)干什么了。大家都一致認(rèn)為：當(dāng)用戶(hù)數(shù)和數(shù)據(jù)需求增加時(shí)，5G必須處理更快速、更大量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，無(wú)線工程師正在設(shè)計(jì)一系列關(guān)鍵技術(shù)。利用這些關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)傳送時(shí)延(4G網(wǎng)絡(luò)中大約70ms)，并為用戶(hù)提供20Gbps的下行峰值速率(4G網(wǎng)絡(luò)中只有1Gbps)。

目前，尚不清楚哪種技術(shù)會(huì)在未來(lái)的5G發(fā)展中起到主導(dǎo)作用，但是一些受人喜歡的技術(shù)也已經(jīng)暫露頭角了。這些先導(dǎo)技術(shù)包括毫米波、小小區(qū)、大規(guī)模天線、全雙工以及波束賦形。為了更好地理解5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)于4G網(wǎng)絡(luò)的原因，有必要研究這5種關(guān)鍵技術(shù)，并分析它們對(duì)無(wú)線用戶(hù)來(lái)說(shuō)分別意味著什么。

毫米波

現(xiàn)今的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)面臨一個(gè)問(wèn)題，即越來(lái)越多的用戶(hù)和設(shè)備消耗的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于以往，但是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商卻仍然在使用之前的無(wú)線頻譜。這意味著每個(gè)用戶(hù)所獲取的帶寬越來(lái)越小，從而業(yè)務(wù)越來(lái)越慢，甚至經(jīng)常掉線。

解決這個(gè)問(wèn)題的最簡(jiǎn)單的方法就是采用之前未曾使用的新頻譜來(lái)傳送信號(hào)。因此，運(yùn)營(yíng)商正在實(shí)驗(yàn)采用高頻段的毫米波來(lái)傳送信號(hào)，其范圍為30~300GHz，不同于早期所使用的6GHz以下頻段。

毫米波的波長(zhǎng)為1到10mm，而目前手機(jī)所使用的波長(zhǎng)則為幾十厘米。之前，只有衛(wèi)星通信和雷達(dá)系統(tǒng)使用毫米波，但現(xiàn)在一些運(yùn)營(yíng)商也開(kāi)始使用它們來(lái)進(jìn)行固定點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，如在兩個(gè)基站間采用毫米波進(jìn)行通信，但這也是一個(gè)全新的方法，需要加以深入研究。

但毫米波有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，就是難以穿越建筑物或者障礙，且易于被樹(shù)葉和雨水所吸收。這也就是為什么5G網(wǎng)絡(luò)需要采用小小區(qū)技術(shù)來(lái)進(jìn)行覆蓋增強(qiáng)。

小小區(qū)

小小區(qū)是便攜式小型基站，它的功耗較低，且可以每250m放置一個(gè)，在整個(gè)城市內(nèi)進(jìn)行部署時(shí)很方便。但是，為了避免信號(hào)衰落，運(yùn)營(yíng)商需要在城市內(nèi)安裝上千個(gè)站，形成密集網(wǎng)絡(luò)，采用類(lèi)似中繼的技術(shù)，從其它基站接收信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)給其它任何位置上的用戶(hù)。

傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)也依靠基站數(shù)的增加來(lái)改善性能，但是要滿(mǎn)足5G性能則需要更大型的網(wǎng)絡(luò)體系。慶幸的是，如果采用毫米波，則小小區(qū)中的天線比傳統(tǒng)天線小很多，因此適于安裝在燈桿或者建筑物頂上。

這種完全不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠更有效地利用頻譜，其原因在于，站數(shù)多就表示基站和用戶(hù)間所使用的頻率在其它地方還可以復(fù)用，從而不同基站可以采用同一頻率為不同的用戶(hù)提供服務(wù)。但是也存在一個(gè)問(wèn)題，那就是5G網(wǎng)絡(luò)中小小區(qū)的數(shù)量巨大，因此難以在鄉(xiāng)村地區(qū)進(jìn)行部署。

除了采用毫米波之外，5G基站還具有更多的天線數(shù)，以便利用大規(guī)模MIMO (mMIMO)這項(xiàng)新技術(shù)。

大規(guī)模MIMO

4G基站具有很多天線端口，發(fā)送通常采用8個(gè)端口，接收通常采用4個(gè)端口。但是5G基站可以支持上百個(gè)端口，這意味著大量的天線需要對(duì)應(yīng)到單個(gè)陣列上去。這個(gè)特性意味著基站可以同時(shí)與多個(gè)用戶(hù)進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)工作，從而使網(wǎng)絡(luò)容量增加22倍以上。

這項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為大規(guī)模MIMO(即mMIMO)。MIMO表示多入多出，即無(wú)線系統(tǒng)采用2個(gè)或者多個(gè)收發(fā)機(jī)來(lái)同時(shí)收發(fā)多路數(shù)據(jù)。mMIMO將多個(gè)天線映射到一個(gè)陣列上，從而將MIMO這個(gè)概念提高到新的高度。

MIMO在4G基站中已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用了。但是至今為止，MIMO僅在實(shí)驗(yàn)室和有限的外場(chǎng)進(jìn)行過(guò)測(cè)試。頻譜效率是每秒內(nèi)一些用戶(hù)所傳送的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)，早期的測(cè)試中，頻譜效率確實(shí)得到了很大提高。

mMIMO對(duì)未來(lái)的5G來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。然而，安裝這么多天線來(lái)處理移動(dòng)話務(wù)也會(huì)帶來(lái)很大干擾，這就是為什么5G基站必須使用波束賦形技術(shù)。

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將數(shù)據(jù)發(fā)送給特定用戶(hù)，從而降低周?chē)脩?hù)間的干擾。不同形勢(shì)(situation)和技術(shù)下，5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)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(zhàn)是同時(shí)采用多個(gè)天線收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)需要降低干擾。mMIMO基站上，信號(hào)處理算法為每個(gè)用戶(hù)挑選最優(yōu)空口傳輸路徑。然后，在不同方向上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可以采用精確協(xié)調(diào)好的模式來(lái)控制建筑物和其它物體間的信號(hào)傳送通路。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)包的移動(dòng)和達(dá)到時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)，波束賦形使得mMIMO陣列上的多個(gè)用戶(hù)和天線可同時(shí)交換更多的信息。

對(duì)于毫米波來(lái)說(shuō)，波束賦形主要用于解決信號(hào)易于受物體阻擋和路徑衰減較快的問(wèn)題。這種情況下，波束賦形有助于將信號(hào)集中在指向用戶(hù)方向的波束上，而不是同時(shí)在多個(gè)方向上進(jìn)行廣播。這種方法可以增強(qiáng)信號(hào)完整到達(dá)的機(jī)會(huì)，降低其它方向上的干擾。

5G系統(tǒng)中，采用毫米波可以增強(qiáng)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(fā)數(shù)據(jù)的路徑，因此工程師還嘗試采用全雙工來(lái)獲取更高的吞吐量和較低的時(shí)延。

全雙工

基站和手機(jī)可以采用相同頻率進(jìn)行信息接收和發(fā)送，但是收發(fā)信機(jī)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換(taketurns)。當(dāng)然，如果用戶(hù)想要同時(shí)收發(fā)信息，也可以采用不同的頻率。

5G系統(tǒng)中，采用全雙工技術(shù)，可以采用同一頻率同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)工作，它可以將物理層速率提高一倍。就像兩個(gè)人同時(shí)說(shuō)話但是都能夠相互聽(tīng)懂一樣。

一些戰(zhàn)爭(zhēng)中已經(jīng)利用笨重的設(shè)備來(lái)進(jìn)行全雙工通信了。但是要在個(gè)人設(shè)備上實(shí)現(xiàn)全雙工通信還需要努力。比如，在天線同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，研究人員必須設(shè)計(jì)一個(gè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)/出信號(hào)的選路，以避免它們之間的碰撞。

實(shí)現(xiàn)全雙工的難度在于電波傾向于采用同一頻率在前向和后向進(jìn)行傳送，即互易性準(zhǔn)則。但是最近，專(zhuān)家們已經(jīng)組合硅晶體作為高速轉(zhuǎn)換器來(lái)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，使它們能夠在相同頻率上同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)工作。

全雙工的一個(gè)缺點(diǎn)就是它會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，形成煩人的回聲。當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)時(shí)，信號(hào)與終端的天線很近，因此比它所接收到的所有信號(hào)都要強(qiáng)。期望天線同時(shí)收發(fā)就需要采用特殊的回聲抵消技術(shù)。

采用上述這些5G關(guān)鍵技術(shù)以及其它技術(shù)，工程師們希望建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)為智能機(jī)用戶(hù)、VR游戲以及自動(dòng)駕駛等業(yè)務(wù)來(lái)提供服務(wù)。研究人員和運(yùn)營(yíng)商對(duì)5G提供低時(shí)延高速率服務(wù)充滿(mǎn)期待，如果他們能夠解決剩余的一些挑戰(zhàn)，并指出如何將這些關(guān)鍵技術(shù)融合在一起，則超速5G業(yè)務(wù)在未來(lái)的5年內(nèi)一定可以到達(dá)消費(fèi)者手中。