．都知道 5G 有超高下載速率，是怎麼做到的？

The Secret Behind 5G Technology

來源：无线深海 作者：蜉蝣采采  

在 5G 基地台下，國際電聯的願景，是單小區可達 20Gbps 的速率。

5G eMBB實現之道

增強型行動寬頻（eMBB），是現階段 5G 最重要的發展方向，也是我們看得見摸得著的未來。在 5G 基地台下，國際電聯的願景是單小區可達 20Gbps 的速率。

在這一切的背後，到底是何方神聖，能擁有如此大的能量？

這就要從「道」和「術」兩方面來理解。「道」可認為是提供支撐的理論基礎，「術」就是在此之上的實現方法。

70年前，美國的克勞德香農發表了一篇劃時代的論文《通信的數學理論》，從而成為了無線通信理論的奠基人，「道」終於「可道」了。

香農公式，精確地描述了決定通信系統容量的幾個因素和它們之間的關係。作為行動通信之「道」，2G、3G、4G要遵從 5G 照樣不例外。

這個公式看起來非常的猙獰可怕，我們如果能鼓起勇氣硬著頭皮看一遍的話，就會發現，系統容量和信道頻寬成正比，或者說，信道頻寬越大，系統容量就越大！容量大了，不就是上網速度快了麼？

5G 的設計者也是這麼想的：大幅提升網路絡速率，增加信道頻寬是第一要務。那麼，就從 4G 的 20M 頻寬提升到 100M，甚至 400M 吧！可是常用的頻段，都讓 2G/3G/4G 給佔了，連 WiFi 也佔了一大段，留給 5G 的已經不多。巧婦難為無米之炊，這可怎麼辦？

5G 毫米波的引入

於是，5G將眼光投向一片新的處女地。這裡不但頻寬豐沛，而且大部分都空閒著，正好為 5G 施展拳腳所用，真是一片流著蜜與奶的好地方。

這片處女地就是「毫米波」，又叫 5G 高頻，一般指頻率在 30GHz 到 300GHz 這段範圍內的頻譜，相對於傳統的 Sub-6GHz 來說頻率要高得多，頻率越高波長越短。

根據電磁波的「波長λ=光速C÷頻率f」這個公式可以得出，該段頻譜的波長在 1 毫米到 10 毫米之間，因此得名「毫米波」，又叫 mmWave，實際 5G 所用的毫米波下限是 24GHz。

下圖是 5G 毫米波的候選頻段，可以看出，相比於擁擠的 Sub-6GHz 頻譜（2G/3G/4G/WiFi 都在這一段狹窄的範圍內），毫米波的頻譜資源簡直是太豐富了！就這還只是毫米波頻段的一小部分而已。

目前標準確定的 5G 毫米波頻譜叫 FR2（Frequency Range 2）集中在 24GHz 到 29GHz 這 5G 頻寬，也基本可以滿足 5G 初始部署階段的需求了。

既然毫米波的資源這麼豐富，為什麼現在 2G/3G/4G 都非要擠在低頻 Sub-6GHz 不可，甚至 5G 也首先在 Sub-6GHz 來部署？

毫米波的致命弱點

這是因為毫米波有致命的弱點 —— 覆蓋差。

電磁波的在空氣中的傳播有個特點，就是頻率越高，損耗越快、繞射、穿透能力越差。典型的損耗分類有下面這幾種：

1. 自由空間路徑損耗：由於信號能量在自由空間的擴散，在傳播了一定距離後，信號能量會發生衰減，功率損耗量和頻率的平方成反比。舉例來說，也就是頻率增大 3 倍，損耗就會增加 9 倍！

2 .繞射損耗：電磁波傳播過程中，由障礙物引起的附加傳播損耗。頻率越高、繞射能力越差、繞射損耗越高。

3. 穿透損耗：電磁波傳播過程中，穿透建築，花草樹木等障礙物產生的損耗。頻率越高，穿透能力越差，穿透損耗越高。

4. 雨衰損耗：電磁波信號因大氣中的雨、雪、冰的吸收，散射等現象導致信號減弱的現象。通常頻率越高，衰減越大。

信號在空間中的傳播，是上述幾種衰減方式的總和。如果用低頻 2.6GHz 和高頻 28GHz 進行對比，在信號傳播路徑相同的情況下，經歷的衰減如下圖所示。

毫米波 28 GHz由於頻率高，每一步經歷的衰減都要比 2.6GHz多得多：

① 自由空間損耗：多 20dB；

② 繞射損耗：多 10dB；

③ 樹木穿透損耗：多 8dB；

④ 房屋穿透損耗：多 14dB；

⑤ 室內傳播損耗：多 5dB。

把這些值加起來，可以得出：同樣的發射功率，經歷同樣的傳播路徑，最終用戶收到 28GHz 的信號，是 2.6GHz 信號強度的百萬分之一！

毫米波的覆蓋這麼差，看來這片「流著奶與蜜的處女地」確實不是那麼好開發。但其大帶寬高速率的誘惑是無法抗拒的，因此在使用中就必須揚長避短。

5G 毫米波的部署之術

首先，怎麼揚長呢？最重要的方式是：

波束賦形

一般情況下，天線單元使用半個波長效率最高，因此電磁波的波長越短，所需要的發射和接收天線單元也就越小。

而毫米波的特點正是波長短，所以天線的尺寸可以很小，在同樣的面積下，可以容納更多的天線。透過調整天線陣列的基本單元的參數，使得某些角度的信號獲得增強幹涉，而另一些角度的信號獲得抵銷干涉，從而使信號在特定的方向上增強，這就是波束賦形。

波束賦形能力取決於天線單元的個數，個數越多，波束越窄，越能波束集中能量對準用戶，提升覆蓋規避干擾，賦形效果也就越好。

下圖中的 5G 毫米波設備含有 256 個天線單元，每 64 個為一組，透過波束賦形來生成窄波束，因此該設備一共能提供 4 個波束來進行高速服務。這種實現方式是目前毫米波設備的主流。

有了波束賦形的加持，毫米波的一個個窄波束可以集中能量，精確對準並跟蹤用戶移動，帶來更好的用戶體驗並降低干擾。

下面再說下 5G 毫米波是怎麼避短的。

1. 微站超密組網

首先，大範圍覆蓋就別想了，要大範圍覆蓋找低頻去。咱毫米波就安心做微站和室內站，覆蓋熱點區域和室內就好，畢竟這些地方人多，流量需求大，更需要 5G。

如果有區域的流量需求持續升高，從熱點變成了沸點，甚至到達了爆點，毫米波的覆蓋距離雖然近，但可以布地密一點，再密一點，成為超密組網。

2. 高低頻宏微協同組網

為了彌補毫米波的覆蓋問題，還可以和低頻 Sub-6GHz 協同組網，同時使用兩個頻段，低頻負責控制面，高頻負責用戶面，這樣既可以進行無感知的小區切換，還能享用高頻帶來的極致速率。

總之就是，毫米波是 5G 實現 eMBB 業務的殺手鐧。雖然毫米波有很大缺點，但只有優點夠突出，這些缺點都是可以用各種各樣的技術方案來彌補的。

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