5G時(shí)代的射頻技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)線專(zhuān)家們表示，到2020年5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)有望產(chǎn)生兩種新的空中接口和基于最新大規(guī)模MIMO技術(shù)的新天線設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，LTE將突破Gbit/s瓶頸。“我們應(yīng)該為毫米波頻段開(kāi)發(fā)一種新的空中接口。當(dāng)然，用于訪問(wèn)物聯(lián)網(wǎng)的另外一種空中接口應(yīng)該也會(huì)有一些機(jī)會(huì)。”Intel公司首席無(wú)線技術(shù)專(zhuān)家Kenneth Stewart在由WiFi專(zhuān)業(yè)公司Quantenna舉辦的大會(huì)演講中指出。

Stewart建議，在種類(lèi)廣泛的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，一些設(shè)備可以從量身定制的空中接口中受益，比如那些“在發(fā)送之前不必同步的設(shè)備……我們希望看到針對(duì)特殊用例的創(chuàng)新。“Steward 認(rèn)為，LTE和WiFi在5G發(fā)明之后仍會(huì)繼續(xù)存在很長(zhǎng)一段時(shí)間。他介紹了一種2020年的無(wú)線芯片概念(如圖1)：使用全套3G、4G和5G接口，除了 802.11ax WiFi和藍(lán)牙5.0外，還支持多達(dá)60個(gè)LTE頻段。“我們認(rèn)為推出這種器件原則上沒(méi)有什么困難。”

圖1：2020年代的無(wú)線芯片概念圖。

他鼓勵(lì)大家發(fā)明適合使用這種芯片組的殺手級(jí)手機(jī)：

我們尚欠缺的是5G網(wǎng)絡(luò)下的設(shè)備或用戶體驗(yàn)，就像iPhone對(duì)3G或4G網(wǎng)絡(luò)的推動(dòng)作用——它要求部署這些網(wǎng)絡(luò)。我們還沒(méi)有見(jiàn)到能夠充分發(fā)揮未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)的設(shè)備。我們認(rèn)為尋找和提供這種設(shè)備是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。專(zhuān)家們普遍同意5G的先進(jìn)性將主要取決于毫米波頻率和大規(guī)模MIMO天線的使用。“5G的大多數(shù)利益和優(yōu)勢(shì)都依賴于大約28GHz至90GHz范圍內(nèi)的毫米波的使用。”Stewart指出。

Intel公司已經(jīng)朝這個(gè)方向邁進(jìn)，目前正在推一款名為Maple Peak的60GHz WiGig產(chǎn)品。該產(chǎn)品主要用于無(wú)線筆記本電腦擴(kuò)展塢，使用了一個(gè)2×8 倒裝芯片綁定的天線陣列。“挑戰(zhàn)主要在于功效，在這個(gè)領(lǐng)域有許多基礎(chǔ)性工作要做。”ITU為5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)定了一系列目標(biāo)(見(jiàn)表1)，包括針對(duì)某些服務(wù)超過(guò)10Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。“我們相信毫米波頻段的WiFi和LTE能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。”

表1：ITU的5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)定。

Stewart預(yù)測(cè)到這個(gè)十年末LTE將能達(dá)到Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。“如果幸運(yùn)的話，”手機(jī)也將能使用諸如大規(guī)模MIMO等技術(shù)在相同頻段中收發(fā)數(shù)據(jù)。大規(guī)模MIMO之父、貝爾實(shí)驗(yàn)室的Thomas Marzetta介紹了對(duì)這種技術(shù)的研究進(jìn)展。有次實(shí)驗(yàn)成功地使用675副天線給10個(gè)用戶每人提供Gbit/s的速率。另外一次實(shí)驗(yàn)給同一蜂窩中的每個(gè) 用戶提供了5Gbit/s的速率，即使位于蜂窩邊緣的用戶也能達(dá)到這個(gè)速率。

“還沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)使用相對(duì)較小的頻譜。”Marzetta表示，“10倍的改進(jìn)很難達(dá)到，而大規(guī)模MIMO能夠輕松實(shí)現(xiàn)超過(guò)10倍的改進(jìn)，并且不需要復(fù)雜的信號(hào)解碼。”大規(guī)模MIMO技術(shù)將淘汰今天的點(diǎn)到點(diǎn)MIMO系統(tǒng)，并且可能消除對(duì)小蜂窩基站的需求，Marzetta指出，“我相信LTE和WiFi如果不轉(zhuǎn)變到大規(guī)模MIMO的話有可能提前退出歷史舞臺(tái)。”

Stewart認(rèn)為搭建這種天線陣列、并能以較低成本達(dá)到一致性能仍面臨許多艱巨的挑戰(zhàn)。“在這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中，信息理論和實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)之間仍缺乏基本有效的溝通。”他提醒道。即使是Marzetta也表示，大規(guī)模MIMO在他的母公司阿爾卡特－朗訊也仍然只是一個(gè)研究課題。小蜂窩基站仍是阿朗公司發(fā)展戰(zhàn)略的基礎(chǔ)。今天的802.11ac在下行鏈路信道上支持多用戶MIMO，但Quantenna等公司需要推動(dòng)對(duì)諸如體育館等用例中上行鏈路的支持，被稱為MIMO之父斯坦福大學(xué)教授Arogyasawami Paulraj表示。

新興大規(guī)模MIMO技術(shù)是毫米波傳輸中波束成型技術(shù)的關(guān)鍵。毫米波可以穿過(guò)植物等可能使信號(hào)衰減達(dá)8至10dB的障礙物，Paulraj指出。他已經(jīng)與美國(guó)監(jiān)管部門(mén)就支持毫米波波束成形技術(shù)所需的規(guī)程修改進(jìn)行了磋商。在5G網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)可能在寬帶毫米波信道上傳輸，控制信號(hào)則走較慢的3G路由，他補(bǔ)充道。“不管會(huì)遇到什么問(wèn)題，毫米波頻率肯定會(huì)得到應(yīng)用，雖然有時(shí)可能獲得大吞吐量后又失去大吞吐量。”Intel公司的Stewart和Paulraj一致認(rèn)為，5G將包含許多種技術(shù)，包括大規(guī)模MIMO LTE、多種WiFi甚至藍(lán)牙。

“1G、2G、3G和4G的推動(dòng)力來(lái)自頻譜效率和吞吐量的增長(zhǎng)，但5G更加關(guān)注多種頻譜和技術(shù)的整合，以便給用戶一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)界面。”Stewart表示，“在網(wǎng)絡(luò)上層，將所有這些集成到單個(gè)流程中還面臨諸多艱巨的挑戰(zhàn)。”

圖2：隨著新的5G網(wǎng)絡(luò)的興起，老的空中接口將繼續(xù)使用，Intel公司的Stewart表示。