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2019年9月30日 星期一

Animating 5G: Millimeter Wave


源:PChome电脑之家

5G 網路會帶來眾多全新的體驗,對於我們大眾來說,5G最能夠吸引我們的元素,還得說是是超越 4G 數倍的網路速度了。

5G 能夠有著數倍乃至數十倍,4G LTE的網路速度,離不開背後所使用的各種新技術與新標準,毫米波技術的使用,無疑就是其中的最關鍵一環。

毫米波是什麼
毫米波究竟是個什麼東西其實我們翻翻高中物理課本就能清楚,其本質上就是一種高頻電磁波,它是波長 1-10 毫米的電磁波,通常來說就是頻率在 30GHz - 300GHz 之間的電磁波。是 5G 通訊中所使用的主要頻段之一。


5G通訊中主要使用兩個通訊頻段,Sub-6GHz 為低頻頻段,它主要使用 6GHz 以下頻段進行通訊。毫米波頻段則使用 24GHz-100GHz 的高頻毫米波進行通訊。目前 5G 對於毫米波的利用,大多集中在 24GHz/28GHz/39GHz/60GHz 幾個頻段之中。

毫米波的簡單介紹到此為止。回到最初的問題,網路速度的提升,跟毫米波有什麼關係這裡我們不需要提及,那些生澀難懂技術,只要舉個例子,幾分鐘就能理解。

網路通訊速度的根本,其實就是單位時間內,所能接收到的數據多少。通訊基地台與手機,就好比兩個物流站點之間,進行貨物的傳輸,貨物就是需要傳輸的數據,連接兩個站點之間的,正是我們通訊所使用的電磁波,它就好比一條高速公路一般相互之間的數據傳輸,則如同一輛輛卡車中的貨物。

想要將全部的貨物運送到另一端,我們可以加大卡車的容量,讓其可以一次運送更多的貨物,從而在在卡車速度,被固定的情況下(電磁波傳輸速度固定為光速),在更短的時間內,將貨物運送完畢。簡單來說就是提高通訊電磁波中,可以承載的數據量,來提高通訊效率,來加快網路速率。

比如目前使用的 256-QAM,就是基於這樣的原理,來提高網路速率的,但這種做法具有一定的局限性。它並非能夠無限制的提升效率,這種方法一是會造成射頻信號的功耗增加,另一方面也會讓其更容易受到噪聲的干擾,造成解碼時的錯誤。

換成卡車的概念則更容易理解,一輛卡車的體積有限,你無論如何,也不能將其打造成火車。


另一種方式則是提高車道,讓能夠同行的卡車數量增加,這也就是提高頻寬,來實現更快的網路速率。這其實也不難理解,車道越多,單位時間內通行的卡車數量也就越多,也就是單位時間內,能夠接收到的數據越多,反應在網速上,無疑就是更快的速度了。

好了,接下來就是關於毫米波的問題了。透過以上的分析,我們不難得出結論,提高網路速率最簡單粗暴的方式,就是加強頻寬。根據通訊方面的原理,通訊信號頻率與其最大頻寬是呈正比的,其大概是頻率的5%,以28GHz 毫米波為例,其理論最大頻寬就有 1.4GHz,比起目前 4G LTE 所使用的 800Mhz-2600MHz 信號 100Mhz 左右的頻寬相比,先天性就有著十倍以上的頻寬差距。

毫米波單載波就能達到 100MHz 頻寬
載波聚合技術也能夠提高寬,它能夠將多個載波,整合在一起,來實現更高的系統寬。但是載波聚合的使用,也是受到頻譜資源的限制的,在目前的 4G LTE 頻譜資源上,頻譜資源十分稀缺,頻譜資源最豐富的對岸中國移動,也只有130MHz的頻譜資源。相比較之下,毫米波的頻譜資源十分豐富,能夠被分配給營運商的頻段極為廣闊,甚至可以分配出諸多連續的優質頻段。

頻寬高、資源好、速度快,這就是毫米波的優勢所在,也是 5G 為何要使用毫米波,作為載體的根本原因所在。目前毫米波技術已經表現得比較成熟了,高通方面就曾經為我們進行了這方面的展示,其透過利用 8 個 100MHz 信道,組成 800 MHz的高頻寬,網路速率上已經接近 5Gbps,比起 Sub-6GHz 的最高速率,還有著成倍的提升。

毫米波使用也有難度
毫米波其實並非是新技術,早在很久之前就出現了,只是沒有被廣泛應用。因為其在通訊中,受到環境因素的很大限制。由於其波長較短,因此衍射能力不強,對於建築物的穿透力幾乎等於沒有,稍有障礙物就會導致信號傳播受阻。

空氣中的水分子也能夠吸收毫米波,造成其能量的衰減,傳播範圍極為有限。甚至是人體本身,也會對毫米波產生致命的干擾,人手就能夠完全阻斷毫米波信號。

對於毫米波應用的技術方案,現在的通訊行業有了成熟的解決方案。4G 信號的傳輸,是屬於區域覆蓋,類似於水波紋,沒有十分精准的方向性。

毫米波信號的傳輸,則可以看做是點對點的動態傳輸,它能夠精準的辨識,基地台與手機之間的位置和距離,將毫米波信號集中在一起,形成一道高能量的波束,再運用波束追蹤技術,直接進行定向傳輸。

這種傳輸方式的能量集中,具有較好的抗干擾性,完美的彌補了毫米波先天性的不足之處,使其能夠支持商用環境。

在手機終端中接收與發射毫米波,同樣是需要解決的難題。毫米波的波長短,相應所需要的天線長度也要短,可以減少手機內部的天線佔用空間,這是毫米波的優勢。不過毫米波在手機終端的使用上,也面臨著射頻發射、天線、放大、接收等全方面的設計難題。


好在目前在手機終端的毫米波使用上,也有了完備的解決方案。這其中以高通的方案最具代表性,其所打造的新一代毫米波天線模組 QTM525,整合了毫米波傳輸中的天線、信號收發、放大等一系列功能,將這些功能集合在了一個十分「袖珍」的模組之中。

手機終端只要運用該模組,就能夠直接解決毫米波通訊的問題。QTM525 毫米波天線模組,能夠在一部手機中部署四個,全方位覆蓋手機的四邊,讓用戶無論是橫置還是單手握持,總能夠保證有一組天線的通暢,確保毫米波通訊的可靠。

QTM525 毫米波天線模組的體積控制極佳,搭載該模組的手機,能夠將手機的厚度控制在 8mm,這個厚度與目前的4G手機相當,能夠延續手機設計纖薄特性,它能夠讓 5G 手機有著如同 4G 手機版的精美纖薄設計。

5G手機的纖薄性不是問題
QTM525 實際上已經是高通的第二代 5G 毫米波天線模組。早在去年 7 月,高通就發佈了首代毫米波模組 QTM052,與驍龍 X50 調制解調器,配合為全球首批 5G 手機提供毫米波支持。

鑒於今年上市的 5G 手機,絕大部分都將採用驍龍 855 行動平台 + 驍龍 X50 的組合,對於其中數家廠商推出的支持毫米波的 5G 手機終端而言,毫米波不再是難題,只待電信商的網路建成後,使用者即可體驗到,毫米波所帶來的疾速體驗。

毫米波是 5G 不可或缺的部分
開頭我們就已經明確了,毫米波是 5G 通訊中的一部分,是 5G 通訊中的兩大主要頻段之一,它所帶給 5G 的不止是極快的網路速度,更是 5G 差異化體驗的重要組成部分。

5G 網路是一個複雜的網路環境,毫米波是最為閉環中,處於圓心周圍的最核心體驗,它所呈現的是極限的速度,但是網路信號的覆蓋範圍有所局限Sub-6GHz 頻段兼顧了速度與信號覆蓋範圍,有著均衡的表現

除此之外,千兆級 LTE 網路在 5G 環境中也是不可或缺的,它有著最優秀的信號覆蓋,能夠在 5G 信號覆蓋不到的地方,保證用戶不出現斷崖式的糟糕體驗。

無論是毫米波、Sub-6GHz,都是 5G 不可或缺的一部分。毫米波作為其中技術難度最高的,或許在 5G 初期不太被重視,但缺了毫米波的 5G,借用一句現在的流行用語,那就是沒有靈魂的 5G了。


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