都知道5G有超高下载速率,是怎么做到的?

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发布日期
2019-04-22 14:00
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在5G基站下,国际电联的愿景是单小区可达20Gbps的速率。而在巴塞展上,国内的5G先锋中兴通讯曾经演示过惊人50Gbps峰值下载速率!


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【编者按】5G的下载速率令人惊喜,5G何以如此优秀?本文将从原理和技术角度通俗解释其中奥秘,一窥5G真实样貌。面对这个即将来临的“新时代”,我们需要做好准备。

5G eMBB实现之道

增强型移动宽带(eMBB),是现阶段5G最重要的发展方向,也是我们看得见摸得着的未来。在5G基站下,国际电联的愿景是单小区可达20Gbps的速率。而在巴塞展上,国内的5G先锋中兴通讯曾经演示过惊人50Gbps峰值下载速率!

在这一切的背后,到底是何方神圣,能拥有如此大的能量?

这就要从“道”和“术”两方面来理解。“道”可认为是提供支撑的理论基础,“术”就是在此之上的实现方法。两千五百年前,中国伟大的思想家老子曾说过:“道生一,一生二,二生万物”。那么到底什么是道呢?老子又说:“道可道,非常道”。

老子说得没错,但尽管“道”难以说清,还是有人为此孜孜不倦。70年前,美国的克劳德?香农发表了一篇划时代的论文《通信的数学理论》,从而成为了无线通信理论的奠基人,“道”终于“可道”了。

香农公式,精确地描述了决定通信系统容量的几个因素和它们之间的关系。作为移动通信之“道”,2G,3G,4G要遵从,5G照样不例外。


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这个公式看起来非常的狰狞可怕,我们如果能鼓起勇气硬着头皮看一遍的话,就会发现,系统容量和信道带宽成正比,或者说,信道带宽越大,系统容量就越大!容量大了,不就是上网速度快了么?

5G的设计者也是这么想的:大幅提升网络速率,增加信道带宽是第一要务。那么,就从4G的20M带宽提升到100M,甚至400M吧!可是常用的频段都让2G/3G/4G给占了,连WiFi也占了一大段,留给5G的已经不多。巧妇难为无米之炊,这可怎么办?

5G毫米波的引入

于是,5G将眼光投向一片新的处女地。这里不但带宽丰沛,而且大部分都空闲着,正好为5G施展拳脚所用,真是一片流着蜜与奶的好地方。


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这片处女地就是“毫米波”,又叫5G高频,一般指频率在30GHz到300GHz这段范围内的频谱,相对于传统的Sub-6GHz来说频率要高得多,频率越高波长越短。


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根据电磁波的“波长λ=光速C÷频率f”这个公式可以得出,该段频谱的波长在1毫米到10毫米之间,因此得名“毫米波”,又叫mmWave,实际5G所用的毫米波下限是24GHz。

下图是5G毫米波的候选频段,可以看出,相比于拥挤的Sub-6GHz频谱(2G/3G/4G/WiFi都在这一段狭窄的范围内),毫米波的频谱资源简直是太丰富了!就这还只是毫米波频段的一小部分而已。


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目前标准确定的5G毫米波频谱叫FR2(Frequency Range 2)集中在24GHz到29GHz这5G带宽,也基本可以满足5G初始部署阶段的需求了。


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既然毫米波的资源这么丰富,为什么现在2G/3G/4G都非要挤在低频Sub-6GHz不可,甚至5G也首先在Sub-6GHz来部署?

毫米波的致命弱点

这是因为毫米波有致命的弱点——覆盖差。

电磁波的在空气中的传播有个特点,就是频率越高,损耗越快,绕射、穿透能力越差。典型的损耗分类有下面这几种:

1. 自由空间路径损耗:由于信号能量在自由空间的扩散,在传播了一定距离后,信号能量会发生衰减,功率损耗量和频率的平方成反比。举例来说,也就是频率增大3倍,损耗就会增加9倍!


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2 .绕射损耗:电磁波传播过程中由障碍物引起的附加传播损耗。频率越高,绕射能力越差,绕射损耗越高。

3. 穿透损耗:电磁波传播过程中,穿透建筑,花草树木等障碍物产生的损耗。频率越高,穿透能力越差,穿透损耗越高。

4. 雨衰损耗:电磁波信号因大气中的雨、雪、冰的吸收,散射等现象导致信号减弱的现象。通常频率越高,衰减越大。

信号在空间中的传播是上述几种衰减方式的总和。如果用低频2.6GHz和高频28GHz进行对比,在信号传播路径相同的情况下,经历的衰减如下图所示。


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毫米波28GHz由于频率高,每一步经历的衰减都要比2.6GHz多得多:

① 自由空间损耗:多20dB;

② 绕射损耗:多10dB;

③ 树木穿透损耗:多8dB;

④ 房屋穿透损耗:多14dB;

⑤ 室内传播损耗:多5dB。

把这些值加起来,可以得出:同样的发射功率,经历同样的传播路径,最终用户收到28GHz的信号是2.6GHz信号强度的百万分之一!


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责编:春林
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