對(duì)于LTE/4G，業(yè)界正接近于時(shí)間和頻率利用的理論極限。5G無線技術(shù)的下一步是利用空間維度，通過向不同方向發(fā)射嚴(yán)格聚焦的信號(hào)，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(xiàng)技術(shù)用于5G時(shí)，尚需克服挑戰(zhàn)。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將依靠天線陣列來提供大量輸入和大量輸出（或稱MIMO）。波束成形將信號(hào)引導(dǎo)到特定設(shè)備。（來源：T-Mobile）

 

MIMO描述了在發(fā)送端和接收端將越來越多的天線聚合進(jìn)越來越密集的陣列，以創(chuàng)建更多的數(shù)據(jù)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(hào)引導(dǎo)到接收器的最佳路徑上，同時(shí)避免信號(hào)干擾。波束成形將使MIMO效率更高。

 

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

 

物理上縮小天線尺寸仍困難重重；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(jī)都不太可能問世的原因之一）。大多數(shù)現(xiàn)存的陣列功耗仍太高，以致不完全實(shí)用。

 

圖2：信號(hào)必須沿著高度和方位角兩個(gè)維度去引導(dǎo)，使波束成形的任務(wù)復(fù)雜化。（來源：Qorvo）

 

波束成形的本質(zhì)正如其名，但該術(shù)語并沒有蘊(yùn)含涉及的復(fù)雜性。在4G中，發(fā)射器對(duì)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(jì)算多徑反彈，而且計(jì)算如何錯(cuò)開信號(hào)流，而以不干擾同步信號(hào)的方式來利用多路徑。當(dāng)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無線的下一個(gè)重要方面中的額外固有技術(shù)挑戰(zhàn)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(qū)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(nèi)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），到30~40GHz內(nèi)的幾個(gè)頻段和40~50GHz內(nèi)的幾個(gè)頻段。有一個(gè)60GHz的Wi-Fi頻段可用于5G無線。其它更高的頻率正在考慮中。

 

圖3：毫米波范圍（30GHz至300GHz）附近和以內(nèi)的頻譜特別適合于更高的數(shù)據(jù)速率，盡管有缺陷，但卻有吸引力。（來源：愛立信）

 

一方面，這些較高頻率的信號(hào)將支持5G規(guī)定的高得多的數(shù)據(jù)速率。為提高其迄今為止已設(shè)法實(shí)現(xiàn)的頻譜效率，業(yè)界仍然有工作要做。

 

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

 

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

 

在以前的無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中，基本的目標(biāo)任務(wù)是把數(shù)據(jù)送到手機(jī)。沒錯(cuò)，這是從簡單的電話開始，并發(fā)展到增加寬帶接入；沒錯(cuò)，其它類型的設(shè)備是由4G/LTE網(wǎng)絡(luò)支持的，但絕大多數(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)使用是向手機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)。這將隨著5G而改變。5G將成為許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的使能技術(shù)，但同樣重要的是，這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將有助于證明5G演進(jìn)的正確性。包括物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的用例實(shí)際上內(nèi)置于5G技術(shù)路線圖中，這是5G市場發(fā)展的內(nèi)在。

 

雖然許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將直接連接到5G，但其它的不會(huì)。許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將依賴大量簡單、便宜的傳感器或其它相對(duì)簡單的設(shè)備。這些設(shè)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(shù)據(jù)量可能會(huì)因設(shè)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，也可能一天、一周、甚至一月才輪詢一次。在許多這些應(yīng)用中，5G連接不僅是技術(shù)上的過度浪費(fèi)，而且還太昂貴，以致于它們中有許多在經(jīng)濟(jì)上不可行。

 

這就是為什么下一個(gè)主題也對(duì)5G市場非常有用。

 

 

在許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，大批設(shè)備將通過專門為LP-WAN設(shè)計(jì)的一些無線技術(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。附近有有線接入也可以，它也許同樣有用（如果不是更理想的話）；只是在很多地方，附近沒有有線網(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(guī)范中有低功耗選項(xiàng)，它也可能加入其中。

 

一些LP-WAN技術(shù)是專有技術(shù)，另一些則是更具包容性的開發(fā)過程的結(jié)果。它們的開放程度不同?，F(xiàn)在判斷哪一個(gè)會(huì)變得流行還為時(shí)過早，但可以肯定的是：長期來看，LP-WAN的無線選擇比市場可能容納的要多。

 

 

在一些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，使用無線傳輸技術(shù)不僅適用于連接大量簡單便宜的設(shè)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)一開始并沒有對(duì)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)提供支持，但現(xiàn)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(dú)有。它已經(jīng)被納入無線局域網(wǎng)技術(shù)。Zigbee和Thread是一開始就支持網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)的，藍(lán)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反過來，它就面朝另一個(gè)1，合在一起就是一個(gè)“M”）。

 

無線網(wǎng)狀網(wǎng)在5G中當(dāng)然可以有用。在所有連接設(shè)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(shè)備（行走的人、無人機(jī)、汽車），則難度加劇。業(yè)界正在開始使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(shè)備互連。一種可能的用途是車對(duì)車（V2V）通信。（來源：密歇根理工大學(xué)）

 

本文轉(zhuǎn)載自EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)。