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 5G能解決演唱會(huì)上網(wǎng)問(wèn)題？

明明信號(hào)滿格視頻卻發(fā)不出去，為什么？首先需要明確，手機(jī)信號(hào)欄上顯示的是你的手機(jī)與通信基站的距離而非手機(jī)信號(hào)的強(qiáng)度。因此，信號(hào)欄的信號(hào)即便顯示滿格，在大型演唱會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，復(fù)雜的環(huán)境和眾多的干擾會(huì)讓手機(jī)與基站的信號(hào)傳輸受到不小的影響。

但為何還有人能正常上網(wǎng)？這就涉及到速度和帶寬。無(wú)線通信需要借助手機(jī)和基站之間電磁波的發(fā)射和接收再借助有線傳輸進(jìn)行信息交換實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，其中手機(jī)與基站間的數(shù)據(jù)傳輸需要在特定的無(wú)線頻段上進(jìn)行，相當(dāng)于很多汽車通行于一條道路上。馬路上車越多，速度自然越慢，甚至可能堵得走不動(dòng)。怎么辦？多修路啊。不僅可以多修幾條路，即使在同一條路上也可以將雙車道擴(kuò)成四車道甚至八車道。相對(duì)應(yīng)地，要提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的速度，最簡(jiǎn)單的方法之一就是增加傳輸帶寬。

從1G到4G，無(wú)線通信的傳輸速率不斷提升，其中的關(guān)鍵之一在于帶寬的不斷增加。LTE（4G）的一個(gè)載波最少是20MHz的帶寬，WCDMA和HSPA+是5MHz，GSM（2G）是200KHz。所以移動(dòng)通信從最初1G的語(yǔ)音時(shí)代，到2G的文字時(shí)代，接下來(lái)是3G的圖片時(shí)代再到4G的視頻時(shí)代，移動(dòng)通信在速率的提升下體驗(yàn)和應(yīng)用也有了極大的提升。

移動(dòng)通信技術(shù)的演進(jìn)

但是，4G仍無(wú)法滿足像演唱會(huì)、大型體育賽事等人口密集場(chǎng)景的需求。由于4G的傳輸速率和傳輸帶寬有限，盡管運(yùn)營(yíng)商們運(yùn)用各種方法進(jìn)行優(yōu)化提升網(wǎng)絡(luò)效率，比如信號(hào)復(fù)用，但同一時(shí)間向基站發(fā)送請(qǐng)求的用戶如果過(guò)多，大大超過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)帶寬的承載能力，就會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)速變慢甚至斷流的現(xiàn)象。

用一個(gè)形象的比喻來(lái)解釋，景區(qū)的一座橋按最多可同時(shí)承載100人設(shè)計(jì)和建造，平日游客暢行，但到了節(jié)假日游客暴增，景區(qū)管理人員雖努力管控，橋上還是涌上了500甚至1000人，這時(shí)橋的通行速度不僅會(huì)下降，還有斷橋的風(fēng)險(xiǎn)。

所以，在用戶密集的場(chǎng)所，如果同一時(shí)間用戶向基站發(fā)送的數(shù)據(jù)過(guò)多，基站處于滿載情況就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理延遲或者接收新的數(shù)據(jù)失敗的情況，再加上復(fù)雜環(huán)境增加的干擾因素（如其它設(shè)備的電磁信號(hào)），手機(jī)網(wǎng)絡(luò)自然會(huì)出現(xiàn)延遲甚至失敗。這也能解釋了為何人口密集區(qū)域4G體驗(yàn)不佳，并且，位置相近的人相近時(shí)間的上網(wǎng)體驗(yàn)也會(huì)有差別。

想要解決這一問(wèn)題，進(jìn)一步提升4G網(wǎng)絡(luò)的速率是最簡(jiǎn)單有效的辦法，千兆LTE已經(jīng)到來(lái)。不過(guò)，單個(gè)載波達(dá)到100MHz帶寬，能夠?qū)崿F(xiàn)更多連接和更高穩(wěn)定性的5G也許更令人期待。尤其是5G毫米波頻段的加入，有望給手機(jī)用戶體驗(yàn)帶來(lái)又一次質(zhì)的飛躍。

實(shí)現(xiàn)5G超高速體驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)——毫米波

所謂毫米波，就是波長(zhǎng)為1-10毫米的電磁波。那5G為什么需要毫米波？前面已經(jīng)提到，無(wú)線通信需要借助電磁波進(jìn)行傳輸，不過(guò)電磁波頻率資源有限，并且無(wú)線通信還有船用通信、越洋通信、衛(wèi)星通信、飛行體通信等等用途，為了避免干擾和沖突，需要給不同的應(yīng)用分配不同的頻率。

僅看移動(dòng)通信， 2G、3G、4G使用的都是6GHz以下的頻率，但使用的電波頻率卻越來(lái)越高。這主要是因?yàn)?，頻率越高能使用的頻率資源越豐富，能實(shí)現(xiàn)的傳輸速率就越高。用個(gè)形象的類比來(lái)解釋，頻率資源就像車廂，帶寬更大，相同時(shí)間內(nèi)能裝載的信息就越多。

更高的頻率更快的速度

發(fā)展到第五代移動(dòng)通信技術(shù)，6GHz以下的頻率大部分已經(jīng)被占用，留給5G的低頻頻率已經(jīng)不多，想要重耕這些頻率也需要時(shí)間。另外，更高的頻率意味著更高的速率，符合移動(dòng)通信發(fā)展的需求，因此5G的頻率除了需要6GHz以下頻段保障網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，還需要24GHz以上的頻率來(lái)提供超高速率和更多應(yīng)用。

目前5G在24GHz以上的頻率，國(guó)際上主要使用28GHz進(jìn)行試驗(yàn)，使用光速=波長(zhǎng)*頻率的公式計(jì)算，28GHz頻率的波長(zhǎng)約為10.7mm，也就是毫米波。

毫米波作為5G區(qū)別于2G-4G的技術(shù)特點(diǎn)，能夠在很大程度上提高傳輸速率，達(dá)到5Gbps、10Gbps甚至更高的水平，同時(shí)擁有更大的帶寬。另外，一般而言天線長(zhǎng)度與波長(zhǎng)成正比，基本上天線是波長(zhǎng)的四分之一或二分之一是最優(yōu)，因此毫米波更短的波長(zhǎng)也讓天線變得更短。

具備更高的速率、更大的帶寬特性，還能帶來(lái)更多的應(yīng)用場(chǎng)景，毫米波這么好，為什么此前一直沒(méi)有被移動(dòng)通信使用？這是由于電磁波的顯著特性是頻率越高、波長(zhǎng)越短，越趨近于直線傳播（繞射能力越差）。頻率越高，頻譜能量也越容易衰弱，無(wú)法傳播很遠(yuǎn)。不懂什么是繞射或者能力衰弱的朋友也不用放棄，你只要記住，毫米波的信號(hào)容易被樓宇、人體甚至是雨滴所阻擋。舉個(gè)直觀的例子，衛(wèi)星通信和GPS導(dǎo)航（波長(zhǎng)1cm左右），在室內(nèi)、被樹木遮擋或者下雨天信號(hào)就會(huì)較弱或者沒(méi)信號(hào)。因此，毫米波最大問(wèn)題在于，它的信號(hào)很難傳得遠(yuǎn)，也就是說(shuō)單個(gè)基站能覆蓋到的用戶數(shù)量可能遠(yuǎn)比不上中低頻基站。

與毫米波相伴的Massive MIMO和波束成形

即便挑戰(zhàn)眾多，但毫米波也具有實(shí)現(xiàn)5G更高速率的優(yōu)勢(shì)，所以如何解決毫米波帶來(lái)的挑戰(zhàn)成為關(guān)鍵。5G使用24Ghz以上的高頻段會(huì)帶來(lái)傳輸距離大幅縮短、網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力大幅降低的問(wèn)題。在覆蓋相同面積的區(qū)域時(shí)，5G毫米波需要的基站數(shù)量將遠(yuǎn)超4G，不過(guò)確切的說(shuō)是需要更多小基站。

基站可以分為兩種，宏基站和小基站。此前移動(dòng)通信都是以宏基站為主，4G時(shí)代也已經(jīng)有不少小基站，尤其是在城區(qū)和室內(nèi)，到了5G時(shí)代，我們可以利用數(shù)量眾多的小基站實(shí)現(xiàn)毫米波的部署。

 宏基站與小基站的覆蓋范圍

小基站是實(shí)現(xiàn)毫米波的關(guān)鍵要點(diǎn)之一。要點(diǎn)之二是天線上的Massive MIMO技術(shù)（大規(guī)模MIMO）。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）可譯為多輸入多輸出，也就是多根天線的發(fā)送和接收。MIMO并不是一項(xiàng)全新技術(shù)，在LTE（4G）時(shí)代就已經(jīng)在使用了。通過(guò)更高階的MIMO技術(shù),結(jié)合載波聚合和高階調(diào)制，業(yè)界已經(jīng)可以讓LTE達(dá)到千兆級(jí)（1Gbps及以上）速度，達(dá)到初期LTE速度的十倍。

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）

5G時(shí)代，MIMO技術(shù)進(jìn)一步加強(qiáng)為Massive MIMO（大規(guī)模多天線技術(shù)）。前面提到天線長(zhǎng)度與波長(zhǎng)成正比，因此波長(zhǎng)更短的毫米波可以讓天線變得更短。天線變小了，我們就可以在基站和手機(jī)都塞進(jìn)更多天線，甚至出現(xiàn)了所謂的天線陣列，將一根一根的天線變成一個(gè)統(tǒng)一的天線系統(tǒng)。

說(shuō)到天線陣列，我們接著說(shuō)說(shuō)實(shí)現(xiàn)毫米波的關(guān)鍵要點(diǎn)之三——波束成形。毫米波傳輸最大的問(wèn)題在于它的信號(hào)很難傳得遠(yuǎn)。如果非要傳得遠(yuǎn)，就需要加大發(fā)射的能量，意味著更費(fèi)電。在人人都是電量焦慮星人的今天，有沒(méi)有辦法能節(jié)省能量呢？科學(xué)家們說(shuō)，讓我們將全向發(fā)射變?yōu)槎ㄏ虬l(fā)射。

我們知道，今天基站發(fā)射的信號(hào)是全向，考慮到用戶不可能遍布于基站周圍的360度，其中有不少能量和資源就會(huì)被浪費(fèi)。在毫米波時(shí)代，天線陣列可以通過(guò)對(duì)射頻信號(hào)相位的控制，使得經(jīng)過(guò)相互作用的無(wú)線電波變得非常狹窄，直直地指向它所提供服務(wù)的手機(jī)，這就是所謂的波束成形。更重要的是，這道窄窄的電波還可以跟據(jù)手機(jī)的移動(dòng)持續(xù)轉(zhuǎn)變方向，甚至在信號(hào)受到阻擋的情況下自動(dòng)切換到另一個(gè)電波上，從而保持手機(jī)信號(hào)的連續(xù)不間斷。

基站天線

這種空間復(fù)用技術(shù)，由全向的信號(hào)覆蓋變?yōu)榱司珳?zhǔn)指向性服務(wù)，波束之間不會(huì)干擾，在相同的空間中提供更多的通信鏈路，極大地提高基站的服務(wù)容量。

利用小基站、Massive MIMO和波束成形等技術(shù)，毫米波終于在移動(dòng)通信中擁有了名字。但在大眾消費(fèi)者都能享用5G毫米波帶來(lái)的好處之前，還有一個(gè)問(wèn)題行業(yè)必須解決——如何把復(fù)雜的毫米波技術(shù)放到巴掌大小的5G手機(jī)之上？

目前，全球范圍內(nèi)手機(jī)端毫米波和多天線解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者無(wú)疑是高通。早在2015年，高通就成功進(jìn)行了首次毫米波技術(shù)演示，通過(guò)智能波束成形和波束追蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的毫米波移動(dòng)性。此后高通持續(xù)推動(dòng)毫米波技術(shù)用于5G移動(dòng)通信，并充分利用毫米波可以顯著降低天線尺寸的特性，設(shè)計(jì)出滿足手機(jī)需求的多個(gè)天線并形成陣列，從而支持波束成形技術(shù)。不過(guò)手機(jī)的位置也會(huì)不斷移動(dòng)，因此不僅要形成波束，還要能控制波束追蹤接收方的位置變化，一直保持在最佳的傳輸位置。

顯然，和2G/3G天線的全向發(fā)射相比，毫米波讓5G手機(jī)天線的難度增加了很多，需要整個(gè)射頻鏈路上從調(diào)制解調(diào)器到收發(fā)器、放大器再到天線的所有器件協(xié)同工作，做到更加智能。為了讓手機(jī)廠商能夠更簡(jiǎn)單、更低成本地推出支持毫米波的5G手機(jī)，高通還在2018年7月份發(fā)布了全球首款面向移動(dòng)終端的毫米波5G天線模塊QTM052，包含了從收發(fā)器到所有射頻前端的器件，還有電源管理IC以及天線本身，覆蓋第一批會(huì)投入商用的5G毫米波頻譜。

還有值得一提的是，要在如今非常輕薄的智能手機(jī)的有限空間內(nèi)提供良好的天線性能已經(jīng)很困難，如果還要考慮用戶使用過(guò)程中頭部或手部對(duì)信號(hào)的遮擋以及環(huán)境的干擾，手機(jī)毫米波天線的性能面臨的挑戰(zhàn)更大。

全球首款面向移動(dòng)終端的毫米波5G天線模塊QTM052

高通憑借其深厚的積累以及對(duì)行業(yè)需求的深刻了解，其5G毫米波天線模組QTM052很好地解決了與毫米波相關(guān)的傳輸、范圍和尺寸挑戰(zhàn)。具體而言，QTM052實(shí)現(xiàn)雙向移動(dòng)毫米波通信的波束賦形，波束控制和波束跟蹤，可大幅改善毫米波信號(hào)的范圍和覆蓋率，并且尺寸非常小巧，在空間和成本允許的情況下，可以在手機(jī)的4個(gè)邊立面上配備4個(gè)毫米波天線模組，配合高通同樣率先推出的5G調(diào)制解調(diào)器芯片驍龍X50，可以確保使用者無(wú)論如何握住手機(jī)，信號(hào)也不會(huì)被阻擋。

基于首款毫米波天線模組，高通2019年又推出最新一代的高通QTM525 5G毫米波天線模組，通過(guò)降低模組高度可支持厚度不到8毫米的纖薄5G智能手機(jī)設(shè)計(jì)。在上一代產(chǎn)品已支持的n257（28GHz）、n260（39GHz）與n261（美國(guó)28GHz）頻段的基礎(chǔ)之上，新模組針對(duì)北美、歐洲和澳大利亞還增加了對(duì)n258（26GHz）頻段的支持。

高通第二代5G調(diào)制解調(diào)器驍龍X55與QTM525毫米波射頻模組配合

QTM525是高通在MWC2019前夕配合其第二代5G調(diào)制解調(diào)器驍龍X55同期發(fā)布的5G毫米波射頻模組。此外高通也有針對(duì)6GHz以下的天線模組產(chǎn)品，如全球首款宣布的5G 100MHz包絡(luò)追蹤解決方案QET6100、集成式5G/4G功率放大器（PA）和分集模組系列，以及QAT3555 5G自適應(yīng)天線調(diào)諧解決方案。

支持毫米波的5G手機(jī)何時(shí)到來(lái)？

既然5G毫米波的挑戰(zhàn)已經(jīng)在很大程度上得到解決，那么結(jié)合5G毫米波和6GHz以下頻段的5G網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)如何？毋庸置疑，高用戶密度環(huán)境下的上網(wǎng)問(wèn)題無(wú)疑會(huì)得到極大程度的改善，演唱會(huì)和體育賽事現(xiàn)場(chǎng)不僅能輕松上網(wǎng)，還能進(jìn)行高清直播。

另外，5G一個(gè)重要的特點(diǎn)是能拓展到手機(jī)之外的應(yīng)用，包括VR、AR、自動(dòng)駕駛、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線醫(yī)療等場(chǎng)景，5G與這些場(chǎng)景的結(jié)合也正在加速落地。

5G連接及應(yīng)用場(chǎng)景，圖片來(lái)自infineon

MWC 2019上，高通拓展其5G測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，納入面向毫米波頻段和6 GHz以下頻段的全新端到端OTA配置。新的5G測(cè)試網(wǎng)絡(luò)位于加利福尼亞州圣迭戈市和新澤西州布里奇沃特市的高通研發(fā)中心。

 高通展示5G NR室內(nèi)毫米波OTA網(wǎng)絡(luò)

在展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，雷鋒網(wǎng)(公眾號(hào)：雷鋒網(wǎng))也看到了新的5G測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的演示。在位于加利福尼亞州圣迭戈市的5G NR戶外毫米波OTA網(wǎng)絡(luò)，28GHz網(wǎng)絡(luò)演示了毫米波在不同現(xiàn)實(shí)工作場(chǎng)景中的移動(dòng)性、魯棒性和性能。

另外，在位于新澤西州布里奇沃特市的5G NR室內(nèi)毫米波OTA網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)室內(nèi)場(chǎng)館和企業(yè)部署，毫米波為智能手機(jī)、筆記本電腦和其他終端帶來(lái)大容量、數(shù)千兆比特的傳輸速率和低時(shí)延的連接。28 GHz網(wǎng)絡(luò)在預(yù)期部署場(chǎng)景中演示了室內(nèi)封閉辦公環(huán)境下的毫米波覆蓋和用戶體驗(yàn)。

可以看到， 5G NR毫米波的優(yōu)勢(shì)在企業(yè)私有網(wǎng)絡(luò)和高密度的場(chǎng)館兩個(gè)場(chǎng)景非常明顯。

基于上面提到的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，高通可以先于標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)3GPP Release 16+的新設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，完善5G算法和技術(shù)以進(jìn)一步改善性能，試并演示新興邊緣計(jì)算功能，例如低時(shí)延擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR），并對(duì)尚未部署的5G功能進(jìn)行演示。

 由此，我們可以期待5G將給我們生活帶來(lái)的改變。不過(guò)需要注意的是，雖然采用高通毫米波天線模組搭配驍龍X50調(diào)制解調(diào)器的的5G手機(jī)已經(jīng)推出。但是各個(gè)國(guó)家和地區(qū)考慮到歷史情況和頻譜資源情況，在毫米波和6GHz以下頻譜部署的部署規(guī)劃上有所差別，比如北美會(huì)先在毫米波頻段進(jìn)行5G部署，中國(guó)會(huì)先在6GHz以下進(jìn)行5G部署，日韓可能兩種頻段都會(huì)部署。

由此看來(lái)，距離國(guó)內(nèi)用戶體驗(yàn)到5G毫米波網(wǎng)絡(luò)并拿到支持5G毫米波手機(jī)還需要一段時(shí)間。不過(guò)從監(jiān)管機(jī)構(gòu)的最新進(jìn)展看，在2019年2月工信部無(wú)線電管理局發(fā)布《2019年全國(guó)無(wú)線電管理工作要點(diǎn)》中，特別提到要適時(shí)發(fā)布5G系統(tǒng)部分毫米波頻段頻率使用規(guī)劃，引導(dǎo)5G系統(tǒng)毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展。相信在行業(yè)各方的共同支持下，中國(guó)進(jìn)行基于毫米波頻段的5G部署指日可待。

待到那個(gè)時(shí)候，別忘了使用支持毫米波頻譜的5G手機(jī)在愛(ài)豆的演唱會(huì)感受高速網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的分享視頻的快樂(lè)。雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)

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