从sub-6GHz到毫米波，5G从美好走向完美之路

5G将给我们未来的生活带来怎样的变化？专业人士会告诉你：较之4G提升数百倍的速度、高达10 Gbps的理论下载速度、低于5ms的低延迟……更生活化的解释是：下载一部4K影片只需几秒钟的时间；虚拟现实与真实世界完全无法区分的场景；成千上万的人在一起使用互连设备功能、性能或可靠性丝毫不打折扣。或者再想象一下全球500亿部始终在线、始终互连的设备将打造出更完美的世界——更安全自动化的交通、更智能的家居、更健康的身体、更身临其境的娱乐享受和更安全的世界。

没错，普遍认为5G是一代能让蜂窝网络扩展至全新使用案例和垂直市场的无线技术。虽然5G一般用来提供超宽带服务包括高清和超高清视频流。“5G技术将还可以让蜂窝网络进入机器世界，它将造福于无人驾驶汽车，并用来连接数以百万计的工业传感器以及各种可穿戴消费电子设备。”前不久ADI公司无线技术部总监Thomas Cameron博士与中国工程师在一场workshop中的交流时指出，让我们来看看在大咖眼中5G的未来是怎么样的。

从sub-6GHz到毫米波，革命尚未成功

通往5G的道路包括逐步增强传统蜂窝频段中的4G，并在频率上扩展到3 GHz至6 GHz范围的新兴频段。“大规模MIMO具有迅猛的行业发展势头，并将从基于LTE的首款系统，演进至采用针对改善吞吐速率、延迟和蜂窝效率而设计的全新波形。” Thomas指出。蜂窝行业将频谱视为一切的根本，但传统蜂窝频段(sub-6GHz)的频谱无法满足未来几年内指数级增长的需要。目前，全球主要的机构都在研究超过6 GHz的频段，以便测试在6 GHz以上频率分配部署无线接入的可行性。“全球6 GHz以下的总频谱约为数百MHz，而20 GHz以上的潜在频谱则是数十GHz。掌握这种频谱对于实现真正互连的世界这一5G愿景来说至关重要。” Thomas表示道。

因此，某个5G频段的工作频率也许要高很多(可能高达毫米波)，并有可能采用无法向后兼容LTE的最新空中接口技术。“主要的行业参与者探讨的频段包含较高的频段，比如10 GHz、28 GHz、32 GHz、43 GHz、46 GHz至50 GHz、56 GHz至76 GHz以及81 GHz至86 GHz。然而，这些频段目前尚处于提议阶段，在进入无线系统定义和标准审议阶段之前，通道建模还有很多工作需要完成。”Thomas指出。

考虑到5G尚处于起步阶段，在部署第一个商用系统之前还需完成通道建模、无线架构定义，以及最终的芯片组开发。但是，目前已经就某些趋势和要求达成了一致，待一些问题解决后终将催生出5G系统。而根据ITU最近发布的5G标准化计划，目标定于2020年前后发布第一代IMT-2020规格。

完美的5G（超带宽、超低延时）需要下一代的微波和毫米波频段在5G接入系统的普及应用，然而在微波频率下实施无线接入的最大障碍之一是克服不理想的传播特性，这些频段下的无线传播在很大程度上受到大气衰减、下雨、障碍物(建筑、人群、植物)以及反射的影响。尽管微波点对点链路已部署多年，但这些链路基本上都是视距系统。这些链路的静态特性使其易于管理，且系统是最近几年才发展起来的，其利用高阶调制方案，支持极高的吞吐速率。“不过我们可以对未来充满信心，因为该项技术正在不断演进中，我们将在5G接入中采用微波链路技术。”Thomas给大家打气道。

虽然作为工程师，我们更关注带宽、延迟等新兴规范，但5G的基础之一是灵活性。如果我们观察这些规范是如何形成的，就可以看到人们正在定义波形，希望通过规定还未预想到的用例来解决目前设想的一系列用例。

大规模MIMO商用之路，同志仍需努力

从较高层面来看，实现三大用例的目标推动着5G的发展：增强移动宽带(eMBB)；大规模机器类通信(mMTC)；高可靠低延迟通信(uRLLC)。目前，许多行业5G的焦点是增强移动宽带，向高网络容量和更高吞吐量发展。增强移动宽带推动了对更高数据吞吐量和更高网络容量的需求。蜂窝基站容量可通过三大措施进行提高：获得新频谱、提高基站密度和改善频谱效率。虽然我们看到新频谱继续增加，网络密度不断提高，但仍然需要改善频谱的使用。大规模MIMO技术可显著改善频谱效率。“大规模MIMO已被证实能够使移动数据吞吐量提高3至5倍，并且还将继续提高。” Thomas分析道，“全球许多移动运营商已完成大规模MIMO试验，预计在2019年至2020年，各个地区将开始该技术的商业部署。”

  

在大规模MIMO系统中，为了使系统从普通8T8R TDD无线电头端（8个发射器，8个接收器）扩展为64T64R系统，需要添加了更多无线电通道。虽然大规模MIMO系统能够显著增加基站容量，但无线电设计人员要想实现所需的大小、重量和功耗，仍面临许多挑战。
 

减小无线电系统大小、重量和功耗的方法众多。主要改善领域包括电路集成和提高电源效率。“为解决这些大问题，我们需要从系统层面进行思考。当然，集成是最直接的无线电收缩办法，但集成本身也许无法产生预期的好处。”Thomas指出，“然而，如果我们检查系统并优化集成架构，便能获得令人印象更深刻的结果。例如，如果我们基于可减少和/或消除大滤波器及其他无源要素的无线电架构进行构建，便能得到一个综合性能出色的解决方案。”

据他介绍，ADI公司的集成无线电收发器产品系列在这方面做出来大量卓有成效的探索，能够带来高集成度，显著改善大小、重量和功耗。

未来展望 

前不久，3GPP发布了首个5G规范，虽然该非独立规范是实现5G的第一步，但有了支持2019年5G手机可用性的调制解调器，该规范的确推动了SoC供应商向前迈进。虽然频谱选择因地区而异，但预计2020年将开始5G的商业部署。按照Thomas给出的预计，随着技术逐渐成熟，在许多地区，5G大规模MIMO将利用中频段，接着是毫米波部署。