技 術 信 息

    目前位置:

  • 技術信息
  • System Analysis
  • 產業觀察 | 如何從技術角度看待 5G 毫米波的(de)商用(yòng)價值?

產業觀察 | 如何從技術角度看待 5G 毫米波的(de)商用(yòng)價值?

從用(yòng)戶體驗而言,5G 能為我們帶來:

10 倍峰值資料速率(20 Gbps)

10 倍延遲降低(1ms)

給定區域內擁有 100 倍的(de)連接設備

從具體實施上來講,5G 意味著:

網路能耗降低 90%

物(wù)聯網設備電池壽命為 10 年

覆蓋率達 100%,可(kě)靠性達 99.999%

給定區域的(de) 1000 倍可(kě)用(yòng)頻寬

在此說明(míng)的(de)是,像 5G 這樣全新的(de)一代之所以誕生,隻有一個原因——針對無線電領域真正有限的(de)資源無線電頻譜,使用(yòng)更強大(dà)的(de)矽片使其更有效地加以利用(yòng)。5G 也(yě)不例外,其使用(yòng)可(kě)控波束和(hé)更複雜的(de)編碼方案,能達到每字元 16 bits。

5G 的(de)全新架構

5G 包含兩種特徵截然不同的(de)網路技術。事實上有三種波段 : 低頻、中頻和(hé)毫米波。但是低頻和(hé)中頻通(tōng)常被分(fēn)為一組,即 sub6GHz 或 <6GHz。低頻包括從 4G 和(hé) 3G 到 5G 的(de)舊頻譜,當產生演進時,這些頻譜得(de)以重新利用(yòng)。中頻是新頻譜,頻率最高(gāo)是 6GHz。事實上,頻率越低而價值越高(gāo);因為傳輸距離更長,傳輸效果更好。但整個頻率範圍都需要相同的(de)基本無線電技術。和(hé) 4G 一樣,sub6GHz 可(kě)透過對塔架和(hé)建築重複利用(yòng)來進行處理(lǐ),隻是需要新的(de)電子設備。

毫米波頻率並非僅僅稍高(gāo)一點,其頻率甚至超過 24GHz。然而毫米波頻率極高(gāo)既有優點,也(yě)有缺點。優點在於毫米波有很大(dà)的(de)頻寬。例如,4G 資料的(de)頻寬是從 1.7 到 2.1GHz,所以頻寬是 0.4GHz;而 5G 毫米波的(de)頻寬是 24.5GHz 到 28.35GHz,所以頻寬接近 4GHz,容量是 4G 的(de) 10 倍。

但缺點在於,毫米波實在太容易受到影(yǐng)響而產生衰減。對毫米波產生影(yǐng)響的(de)事物(wù)很多(duō),其中尤以建築物(wù)和(hé)人(rén)手為甚——即毫米波無法在建築物(wù)外給建築物(wù)內部提供服務。在設計手機時,因為手持方式,還要耗去不少天線。不僅如此,空氣(實際上是氧氣)對毫米波產生的(de)衰減作用(yòng)也(yě)非常大(dà),以至於毫米波的(de)傳播範圍受限於 200-300 米(約 700-1000ft)。

所以,每隔 200m 左右就需要修建基站小型基地台。在鄉村(cūn)裡,根本不會有毫米波供應。在城(chéng)市裡,每盞路燈或每棟建築上都需要有小型基地台。顯然,在每個無線電頭底部安裝基帶的(de) 4G 架構是行不通(tōng)的(de)。因此,要實現技術,隻能透過 C-RAN,即 Cloud Radio Access Network (基於雲計算(suàn)的(de)無線接入網構架)。C-RAN 的(de)基本思想在於,在接入口盡可(kě)能少進行處理(lǐ)(因為接入口過多(duō)),而在共用(yòng)基帶單元中盡可(kě)能多(duō)進行處理(lǐ),這樣就不需要在每個路燈頂部重複處理(lǐ)。上述操作與常規計算(suàn)雲資料中心的(de)理(lǐ)念非常相似。每個小型基地台都通(tōng)過光(guāng)纖連接到基帶。基帶在許多(duō)小型基地台共用(yòng),提供極低的(de)延遲和(hé)一定程度的(de)邊緣計算(suàn)(或稱之為霧(fog),因為它既非邊緣也(yě)非雲端)。它連接到互聯網骨幹的(de)方式和(hé) 4G 相同,不過更加現代化(huà),與光(guāng)纖更為相似。

「固定無線」可(kě)以用(yòng)來取代到達家庭用(yòng)戶的(de)最後 1.6 公裏銅纜,隻要將一處小型基地台放在一組建築物(wù)附近就能實現這一點,相當於在建築物(wù)外面放一部手機(因為毫米波無法穿透建築物(wù))。實際上,上述技術比手機還簡單,因為它不移動,也(yě)不需要在基站之間切換。

在大(dà)型建築比如辦公室或會議中心裡,網路服務提供商預計會使用(yòng)大(dà)量小型基站(femtocell),這些小型基地台的(de)體積甚至更小(可(kě)以自行配置,因此安裝並不複雜——可(kě)能將在燈具中安裝)。

5G 和(hé) 4G 之間另一個很大(dà)的(de)區別(特別是在毫米波頻段)在於,手機和(hé)基站都需要控制波束,將所有的(de)無線電能量導向正確的(de)方向,而不是將這些能量簡單地向各個方向擴散,也(yě)不是將大(dà)部分(fēn)能量浪費在與所需方向相反的(de)方向。上述操作超出了(le) 4G 多(duō)個天線的(de)需求,即多(duō)出多(duō)入技術(MIMO),轉向可(kě)控相位陣列天線。具體而言,波束成形技術(Beamforming)比想像中更為複雜,因其也(yě)想利用(yòng)反射,所以甚至手機也(yě)可(kě)能跟蹤多(duō)個波束。當然,小型基地台基站(在燈杆上)可(kě)能同時跟蹤數百個用(yòng)戶,每個用(yòng)戶都有多(duō)條無線電路徑。

由此可(kě)見,幾代人(rén)都在利用(yòng)大(dà)量的(de)電腦能力來對功率和(hé)頻寬進行更有效的(de)利用(yòng)。

綜上所述, 5G 網路將如下(xià)圖所示:

現有的(de)天線提供 4G 和(hé) 5G 服務(隨著手機市場的(de)轉型,逐漸從 4G+5G 服務向 5G 服務發展)

建築物(wù)內將需要許多(duō)新的(de)小型基站接入(毫米波不會穿透牆壁,而 <6GHz 容量不足)

無線電能量必須集中成波束。

波束是透過由小天線組成的(de)大(dà)陣列實現的(de)。

新型毫米波接入口更深嵌入城(chéng)市環境中(每隔 200m 嵌入,每根燈杆也(yě)是相隔 200m)

下(xià)載速度高(gāo)達 20Gbps,上傳速度可(kě)能會慢(màn)一些。

採用(yòng)基帶和(hé)無線接入端之間延遲較低的(de)光(guāng)學前端。

C-RAN 在許多(duō)無線接入端上共用(yòng)基帶來提高(gāo)性能。

邊緣計算(suàn)可(kě)實現大(dà)規模人(rén)工智慧(AI),延遲比直達雲計算(suàn)資料中心更低。

5G 面臨的(de)挑戰

雖然網路供應商希望建築物(wù)配備大(dà)量小型基站。但是,我們最後一次在家、辦公室或在商場使用(yòng)手機資料是什(shén)麼時候?大(dà)部分(fēn)時間我們都在使用(yòng)無線網路(Wi-Fi)。據估計,70% 的(de)下(xià)載是透過無線網路而不是透過高(gāo)速資料網路實現的(de)。當然,有些設備目前仍然採用(yòng)有線連接。例如,電視機上盒是透過連接線連接到路由器的(de)。

因此可(kě)能在建築內部發生衝突。網路提供商希望我們使用(yòng)他(tā)們的(de)網路,以此從中牟利。另一方面我們會更傾向於連接使用(yòng)無線網路,至少肯定在自己家中和(hé)工作的(de)地方會有無限網路。如果我在自己的(de)客廳裡安裝一處小型基站,還向電信公司繳納使用(yòng)費,這實在是無法想像。會議中心的(de)問題可(kě)能更大(dà),因為他(tā)們並不提供免費的(de)無線網路。即使對於與會者來說無線網路似乎是免費的(de),但通(tōng)常,一家參加會議的(de)大(dà)公司會「贊助」無線網路(即支付其開銷)。

另一個潛在的(de)衝突在於建築物(wù)的(de)有線接入網。5G 可(kě)以用(yòng)於固定無線網路,不需挖掘地面就能提供最後 1.6 公裏的(de)互聯網服務(其實是最後 300m,毫米波傳輸不到一公裏)。但是即使地面已經挖好了(le),有線接入網還是有可(kě)能被超越。現存電視電纜有可(kě)能淪為價值有限的(de)閒置資產,就像許多(duō)固定電話被手機超越一樣。一旦新住宅開發專案不再在施工期間安裝固定電話,這個時代就將終結。

談及電視電纜,可(kě)能讓人(rén)想起有線電視首次安裝時的(de)爭鬥,當時,擁有有線電視,就擁有使用(yòng)電線杆發電或使用(yòng)固定電話的(de)權利。任何市政當局都不想再安裝一套電線杆。在現存電線杆和(hé)路燈燈杆上安裝 5G 也(yě)可(kě)能發生類似的(de)情況。重要問題在於,各網路運營商是否在每個燈杆上都需要安裝公司的(de)無線接入端?無線接入端是否會共用(yòng)?無論結果如何,都有可(kě)能導緻毫米波的(de)安裝速度降低。

近兩年市場上出現很多(duō)關於 5G 的(de)炒作,但是炒作和(hé)現實之間存在巨大(dà)差距,毫米波的(de)諸多(duō)優點將被視作 5G 的(de)優勢,但炒作不會提及毫米波無法穿牆而過、剛開始也(yě)無法廣泛安裝等缺點,所以大(dà)部分(fēn)優點都無關緊要。在行銷宣傳中承諾的(de)顯眼資料,相比使用(yòng)手機時實際得(de)到的(de)效果而言,會有天壤之別。

在全球行動通(tōng)訊系統(GSM)推出時,我也(yě)曾見識可(kě)信度出現類似鴻溝。全球行動通(tōng)訊系統在宣傳上並非說明(míng)更好地利用(yòng)頻譜來降低價格,而是說明(míng)其具有「數位品質」,就像從黑(hēi)膠唱片(LP)到雷射光(guāng)碟(CD)的(de)轉變一樣。人(rén)們發現黑(hēi)膠唱片的(de)品質與雷射光(guāng)碟相比相差甚遠,並且經常會毫無預警地退出,這個問題在早期尤其嚴重,令人(rén)們相當不滿意。

結論

5G 是技術領域所見過的(de)最引人(rén)注目的(de)技術之一

全球各國政府、各個城(chéng)市都將 5G 視為取得(de)未來數位經濟成功的(de)必要基礎設施

4G 頻寬不足:長期來看,除了(le)毫米波,別無選擇

毫米波與前幾代不同,它是一種全新的(de)電信架構,將需要更多(duō)的(de)時間來構建

5G 和(hé)用(yòng)戶不能僅僅依靠毫米波,標準覆蓋多(duō)個頻率,從而既能實現覆蓋,又能具備性能

人(rén)工智慧(AI)可(kě)能會及時問世,從而克服毫米波的(de)局限性

透過高(gāo)速 5G 基礎設施,大(dà)規模人(rén)工智慧的(de)使用(yòng)隨時都有可(kě)能實現

5G 速度更快(kuài),更容易支援更輕便的(de)用(yòng)戶端

在西方國家,毫米波在後勤保障和(hé)技術方面都受到阻礙

室內連接方面 5G 將面對 Wi-Fi 6 的(de)挑戰

中文版授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)

長按識別 QRcode,關注「Cadence 楷登 PCB 及封裝資源中心」

歡迎關注 Graser 社群,即時掌握最新技術應用(yòng)資訊