對于LTE/4G，業(yè)界正接近于時(shí)間和頻率利用的理論極限。5G無(wú)線(xiàn)技術(shù)的下一步是利用空間維度，通過(guò)向不同方向發(fā)射嚴格聚焦的信號，盡可能頻繁地同時(shí)使用任何給定頻率。業(yè)界在將這兩項技術(shù)用于5G時(shí)，尚需克服挑戰。2017年，這兩個(gè)主題一直在進(jìn)步和變化，2018年在這兩方面可能會(huì )看到更多。

 

圖1：5G將依靠天線(xiàn)陣列來(lái)提供大量輸入和大量輸出（或稱(chēng)MIMO）。波束成形將信號引導到特定設備。（來(lái)源：T-Mobile）

 

MIMO描述了在發(fā)送端和接收端將越來(lái)越多的天線(xiàn)聚合進(jìn)越來(lái)越密集的陣列，以創(chuàng )建更多的數據流層。同時(shí)，波束成形和與波束跟蹤緊密相關(guān)的技術(shù)是將每個(gè)信號引導到接收器的最佳路徑上，同時(shí)避免信號干擾。波束成形將使MIMO效率更高。

 

要應用于5G網(wǎng)絡(luò )系統，這兩種技術(shù)都需要做進(jìn)一步改進(jìn)。

 

物理上縮小天線(xiàn)尺寸仍困難重重；面向5G的MIMO陣列非常大（這是2020年之前，也許更晚，實(shí)際的5G智能手機都不太可能問(wèn)世的原因之一）。大多數現存的陣列功耗仍太高，以致不完全實(shí)用。

 

圖2：信號必須沿著(zhù)高度和方位角兩個(gè)維度去引導，使波束成形的任務(wù)復雜化。（來(lái)源：Qorvo）

 

波束成形的本質(zhì)正如其名，但該術(shù)語(yǔ)并沒(méi)有蘊含涉及的復雜性。在4G中，發(fā)射器對接收器進(jìn)行三角定位。在5G中也是如此，但在5G中，發(fā)射器也將能映射物理環(huán)境，然后不僅計算多徑反彈，而且計算如何錯開(kāi)信號流，而以不干擾同步信號的方式來(lái)利用多路徑。當發(fā)射器和接收器中的任一個(gè)或兩個(gè)都在移動(dòng)時(shí)，任務(wù)變得更困難。

 

所有這些又都因5G無(wú)線(xiàn)的下一個(gè)重要方面中的額外固有技術(shù)挑戰而更加棘手。

 

 

最初為5G分配的頻率在6GHz已擁擠不堪。世界各地不同司法管轄區最近分配給5G服務(wù)的頻譜大多分布于各毫米波頻率。

 

毫米波范圍是從30GHz到300GHz。世界范圍內新的5G頻譜分配，范圍從20大幾GHz（例如26GHz和28GHz，它們技術(shù)上不是毫米波，但通常被歸入該類(lèi)），到30~40GHz內的幾個(gè)頻段和40~50GHz內的幾個(gè)頻段。有一個(gè)60GHz的Wi-Fi頻段可用于5G無(wú)線(xiàn)。其它更高的頻率正在考慮中。

 

圖3：毫米波范圍（30GHz至300GHz）附近和以?xún)鹊念l譜特別適合于更高的數據速率，盡管有缺陷，但卻有吸引力。（來(lái)源：愛(ài)立信）

 

一方面，這些較高頻率的信號將支持5G規定的高得多的數據速率。為提高其迄今為止已設法實(shí)現的頻譜效率，業(yè)界仍然有工作要做。

 

另一方面，毫米波信號的傳輸速率明顯低于期望。毫米波信號及6GHz以下信號不能傳得很遠，也不能穿透障礙物。

 

一般來(lái)說(shuō)，5G的許多元器件仍然昂貴，在毫米波頻譜尤其如此。隨著(zhù)規模經(jīng)濟拉動(dòng)并基于未來(lái)可能的創(chuàng )新，進(jìn)一步的集成將使成本肯定下降。

 

在以前的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)中，基本的目標任務(wù)是把數據送到手機。沒(méi)錯，這是從簡(jiǎn)單的電話(huà)開(kāi)始，并發(fā)展到增加寬帶接入；沒(méi)錯，其它類(lèi)型的設備是由4G/LTE網(wǎng)絡(luò )支持的，但絕大多數的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )使用是向手機收發(fā)數據。這將隨著(zhù)5G而改變。5G將成為許多物聯(lián)網(wǎng)應用的使能技術(shù)，但同樣重要的是，這些物聯(lián)網(wǎng)應用將有助于證明5G演進(jìn)的正確性。包括物聯(lián)網(wǎng)在內的用例實(shí)際上內置于5G技術(shù)路線(xiàn)圖中，這是5G市場(chǎng)發(fā)展的內在。

 

雖然許多物聯(lián)網(wǎng)設備將直接連接到5G，但其它的不會(huì )。許多物聯(lián)網(wǎng)應用將依賴(lài)大量簡(jiǎn)單、便宜的傳感器或其它相對簡(jiǎn)單的設備。這些設備可能要求低功耗或超低功耗；它們可能要求也可能不要求低延遲；它們可能需要也可能不需要彼此通信；它們產(chǎn)生（也可能收到）的數據量可能會(huì )因設備的不同而差異巨大；它們可能需要進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷的輪詢(xún)，也可能一天、一周、甚至一月才輪詢(xún)一次。在許多這些應用中，5G連接不僅是技術(shù)上的過(guò)度浪費，而且還太昂貴，以致于它們中有許多在經(jīng)濟上不可行。

 

這就是為什么下一個(gè)主題也對5G市場(chǎng)非常有用。

 

 

在許多物聯(lián)網(wǎng)應用中，大批設備將通過(guò)專(zhuān)門(mén)為L(cháng)P-WAN設計的一些無(wú)線(xiàn)技術(shù)連接到基站，基站又將連接到高速高帶寬的網(wǎng)絡(luò )。該網(wǎng)絡(luò )可能是5G，但不一定；4G連接有時(shí)就足夠了——3G有時(shí)候就可以。附近有有線(xiàn)接入也可以，它也許同樣有用（如果不是更理想的話(huà)）；只是在很多地方，附近沒(méi)有有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，這就有利于5G網(wǎng)絡(luò )連接被采用了。

 

目前有幾種LP-WAN選擇。它們包括LoRaWAN、Sigfox、Weightless、NB-IoT、LTE M、Ingenu和Symphony Link。下一個(gè)版本的Wi-Fi 802.11ax在規范中有低功耗選項，它也可能加入其中。

 

一些LP-WAN技術(shù)是專(zhuān)有技術(shù)，另一些則是更具包容性的開(kāi)發(fā)過(guò)程的結果。它們的開(kāi)放程度不同?，F在判斷哪一個(gè)會(huì )變得流行還為時(shí)過(guò)早，但可以肯定的是：長(cháng)期來(lái)看，LP-WAN的無(wú)線(xiàn)選擇比市場(chǎng)可能容納的要多。

 

 

在一些物聯(lián)網(wǎng)應用中，使用無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)不僅適用于連接大量簡(jiǎn)單便宜的設備，而且還適用于其彼此互連。這就是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的天下。一些LP-WAN技術(shù)一開(kāi)始并沒(méi)有對網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )提供支持，但現在幾乎所有的技術(shù)都提供了支持。

 

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )并不是LP-WAN獨有。它已經(jīng)被納入無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)。Zigbee和Thread是一開(kāi)始就支持網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)的，藍牙已經(jīng)增加了它，下一個(gè)版本的Wi-Fi也將擁有它。Wi-Fi的這個(gè)下一版本叫做802.11ax，也叫做Max（看看“11ax”——把第一個(gè)1反過(guò)來(lái)，它就面朝另一個(gè)1，合在一起就是一個(gè)“M”）。

 

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)在5G中當然可以有用。在所有連接設備都是靜止的局域網(wǎng)中，網(wǎng)狀網(wǎng)尚不能非常容易地做好；考慮到移動(dòng)設備（行走的人、無(wú)人機、汽車(chē)），則難度加劇。業(yè)界正在開(kāi)始使5G支持網(wǎng)狀網(wǎng)的工作。

 

圖4：網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )將有助于設備互連。一種可能的用途是車(chē)對車(chē)（V2V）通信。（來(lái)源：密歇根理工大學(xué)）

 

本文轉載自EDN電子技術(shù)設計。