5G就要步入我们的生活,再过一两年我们都会使用上最新的5G手机,5G手机和目前的4G手机有哪些不同?目前谈的4.5G和5G手机凭什么实现超高速和低延时?这里聊聊几个关键技术。
一、3CC、 4CC或5CC 载波聚合技术
从以前的2G功能手机到3G智能手机到现在的LTE4G手机,我们都深切体会到了移动互联速度提升带来的更好体验,2G时代我们只能发送短信息交流,到了3G时代我们可以实现图片交流,而到了4G时代,我们可以轻松以视频进行交流了,这背后得益于通信速率的大幅度提升。
可以说,2G是自行车道,3G是省级公路,而4G就是高速公路,5G就是飞机跑道,不过速度的大幅度提升是有前提的,这就需要更宽的信道。根据香农定理,数据最大传输速率和信道带宽直接相关,所以我们看到在4G时代,为了让运营商之间没有通信干扰和国际漫游,国际通信组织划分了大量频段给运营商。如下图所示。
从上图也可以看出,运营商拿到的都是碎片化的频谱资源,因此只有进行载波聚合才能充分利用碎片化的频谱资源,提高网络容量,从而为用户提供更好的网络体验。下面是中国三大运营商的频谱资源。这样载波聚合技术就应运而生。
载波聚合(Carrier Aggregation)CA技术就是将可以将两个或两个以上的载波汇聚在一起,从而将分散的频谱资源整合利用,提供更快的速率,提供超过1Gbps以上的高速传输。
载波聚合本是3GPP LTE-Advanced在LTE基础上提出的新技术,通俗地说就是目前提到的4G+或者4.5G通信技术,最高通信速率可以达到1Gbps以上。目前运营商的网络已经可以支持2CC、3CC载波聚合,而通信厂商最新的modem通过载波聚合可以实现超过1Gbps下行速率。
在5G时代由于频谱资源依然紧缺因此仍然需要载波聚合技术,目前,3300-3600MHz和4800-5000MHz已被全球率先用于5G试验,被公认为5G先锋频段,最有可能成为最先商用的5G频段。另外,毫米波频段也将成为5G通信的频段。如下表所示。
实际上,5G不仅有新频段与新技术,还包含LTE演进技术,与4G相比,5G将更为全球化,并拥有更健全的生态系统。在5G新技术方面,包括毫米波(mmWave)、大规模多重输入/多重输出(Massive MIMO)、波束成形(Beamforming)及双工(Duplex)等;另外,在LTE演进技术方面,则会从三载波聚合(3CC CA)增进至四载波聚合(4CC CA)、五载波聚合(5CC CA),这样用户才可以享受到真正超越4G的高速体验。
二、256QAM 高阶调制技术
我们知道,在数字通信中,传送的是经过基带信息,要把在基带信息在合适的频段发射出去,就需要调制技术,通过调制将基带信号搬到想要的频段上,另外,通过调制,也增加信号的传输可靠性和有效性。
目前主要的调制方式是幅度移动键控(ASK)和频率移动键控(FSK)。而现代移动通信多采用QAM(正交振幅调制),其幅度和相位同时变化,从信号矢量点的分布情况可以看出,幅移键控ASK振幅调制的矢量端点始终在一条辐轴上,相移键控PSK相位调制的矢量端点始终在一个圆圈上,而QAM是一种集振幅和相位二维信息承载的高效数字调制技术,在移动通信LTE系统的基带调制中就使用了二进制、四进制和八进制QAM(4、16、64QAM),它们为无线通信系统缓解传输资源紧张、提高有效传输速率发挥了极其重要的作用。
在5G时代,为满足移动用户海量数据的快速增长,传统的低阶基带调制技术已力不从心,取而代之的必将是十六进制QAM(256QAM)或更高阶QAM,使之成为系统获取更高传输速率和更大信道容量的首选方式。
就相同条件下的信息调制密度而言,QAM将是ASK的几何倍数,而256QAM的信息调制密度又将是64QAM的许多倍,虽然它们调制的比特数比仅为4/3,但调制信息的码元比却为256/64=4。
QAM调制的主要技术参数有:星座点数、输出电平值、符号率(带宽)、频率等。星座点数越多,每个符号能传输的信息量就越大。但是,如果在星座图的平均能量保持不变的情况下增加星座点,会使星座点之间的距离变小,进而导致误码率上升。因此高阶星座图的可靠性比低阶要差。这是64和256QAM经过无线信道前后星座图的1/4部分表现。
三、4x4 MIMO 多输入输出技术
香农定理证明了在一定信道条件下信息传输速率是有上限,那未来的5G、6G技术该如何提升传输速率?这就需要多输入多输出技术
(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO),MIMO指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。
MIMO技术最早由马可尼于1908年提出,其原理是无线电发送的信号被反射时,会产生多份信号,每份信号都是一个空间流。而使用单输入单输出(SISO)的系统一次只能发送或接收一个空间流。MIMO允许多个天线同时发送和接收多个空间流,并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。MIMO 技术的应用,使空间成为一种可以用于提高性能的资源,并能够增加无线系统的覆盖范围。
MIMO接入点到MIMO客户端之间,可以同时发送和接收多个空间流,信道容量可以随着天线数量的增大而线性增大,因此可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高。
此外,借由多根天线产生一个具有指向性的波束,将能量集中在欲传输的方向,增加信号品质,并减少与其他用户间的干扰。所以,在5G时代,不止是使用我们现在有的2*2MIMO、而是大规模MIMO,有可能是4x4 MIMO 甚至8x8MIMO ,会使用大规模天线阵列,可以通过波束成形技术让每个人的享受高速上网的乐趣。
四、高功率终端, 提升用户体验
通过前面的分析我们知道,目前国际上考虑可能应用到5G的频谱分为6 GHz以下频段(sub-6 GHz)和6 GHz以上频段( 高频段),其中6 GHz以下频段包括了目前移动通信的频段及3 GHz至6 GHz频段,高频段主要集中在30 GHz、40 GHz、70 GHz以及80 GHz附近。
但是研究发现6 GHz以上的高频段信道不同于sub-6 GHz信道,其具有传播损耗大、传播方向性强以及空间相关性高等特点。例如30 GHz波段相比2.6 GHz,传播损耗高37 dB左右,穿透损耗高12 dB左右,这导致毫米波频段最有可能用作热点覆盖而不是广覆盖,这就对终端提出了更高的要求,即需要有更高的发射功率终端设备。
另外,我们也知道,在6 GHz以上工作的高频器件,由于缺乏好的宽禁带材料,因此与sub-6 GHz以下频段相比器件性能更加恶化,典型问题是相位噪声增加、输出信号射频指标恶化。如30 GHz相位噪声相比3 GHz会恶化高达20 dB。这对终端产品的PA、滤波器如SAW(声表面波滤波器)、BAW(体声波滤波器)和FBAR(薄膜体声滤波器)等器件都提出了新的挑战。如果不解决一定影响5G手机的上网体验。
在今年的第18届GTI论坛上,以中国移动为代表的运营商准备引入的功率等级2(Power Class 2)技术(2016年12月获得3GPP认证,是LTE的新功率标准),正是为了提升弱信号环境下手机的上网体验问题,而这一技术需要在目前手机发射功率基础上增加一倍,这意味着手机终端需要面对一系列技术问题例如射频电路的设计、天线的设计、器件的选取等等,这也涉及到很多资源问题。
据了解,目前,国内一些著名品牌手机都开始研发高功率手机,用户可以大大提升手机在弱信号环境下的上网体验。
从以上介绍可以看到,5G手机和4G手机设计有很大不同,由于通信技术应用了很多最先进的科技,所以先进通信技术的采用对于推动一个国家的半导体技术发展至关重要,在模拟通信和2G时代,中国通信技术落后于其他国家,但是在3G、4G时代,随着运营商大胆积极部署,积极采用最新技术,中国的半导体科技有了长足发展,截止到2017年4月,中国已经有了8.49亿4G用户,可以说4G引领中国迈向全球网络大国,而即将商用的5G通信技术可能会让中国成为全球通信强国。
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