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毫米波、大规模天线、全双工、波束赋形以及小小区只是高速5G网络所需的几项关键技术
Amy Nordrum, Kristen Clark 以及IEEE Spectrum组成员
2017/1/27
以下文字部分为原文翻译，与视频语音内容不一致。
原文章和视频内容请参见：
http://spectrum.ieee.org/video/telecom/wireless/everything-you-need-to-know-about-5g
目前，移动用户想要获取更加快速的速率以及更加稳定的业务，5G网络不但能够满足这些要求，还能够超越更多。5G网络中，用户不仅能够在几秒内下载一部高清电影(LTE需要10分钟)，它还能促进其它更多新技术的发展，如自动驾驶、虚拟现实以及物联网等。
如果一切顺利的话，运营商希望在2020年早期提供商用网络。目前，虽然5G还处于计划阶段，但是运营商和商业团体已经开始一起研究采用5G来干什么了。大家都一致认为：当用户数和数据需求增加时，5G必须处理更快速、更大量的数据业务。
为了达到这个目标，无线工程师正在设计一系列关键技术。利用这些关键技术，可以实现毫秒级的数据传送时延(4G网络中大约70ms)，并为用户提供20Gbps的下行峰值速率(4G网络中只有1Gbps)。
目前，尚不清楚哪种技术会在未来的5G发展中起到主导作用，但是一些受人喜欢的技术也已经暂露头角了。这些先导技术包括毫米波、小小区、大规模天线、全双工以及波束赋形。为了更好地理解5G网络优于4G网络的原因，有必要研究这5种关键技术，并分析它们对无线用户来说分别意味着什么。
毫米波
现今的无线网络面临一个问题，即越来越多的用户和设备消耗的数据量远大于以往，但是移动运营商却仍然在使用之前的无线频谱。这意味着每个用户所获取的带宽越来越小，从而业务越来越慢，甚至经常掉线。
解决这个问题的最简单的方法就是采用之前未曾使用的新频谱来传送信号。因此，运营商正在实验采用高频段的毫米波来传送信号，其范围为30~300GHz，不同于早期所使用的6GHz以下频段。
毫米波的波长为1到10mm，而目前手机所使用的波长则为几十厘米。之前，只有卫星通信和雷达系统使用毫米波，但现在一些运营商也开始使用它们来进行固定点之间的数据通信，如在两个基站间采用毫米波进行通信，但这也是一个全新的方法，需要加以深入研究。
但毫米波有一个严重的缺点，就是难以穿越建筑物或者障碍，且易于被树叶和雨水所吸收。这也就是为什么5G网络需要采用小小区技术来进行覆盖增强。
小小区
小小区是便携式小型基站，它的功耗较低，且可以每250m放置一个，在整个城市内进行部署时很方便。但是，为了避免信号衰落，运营商需要在城市内安装上千个站，形成密集网络，采用类似中继的技术，从其它基站接收信号并转发给其它任何位置上的用户。
传统的蜂窝网络也依靠基站数的增加来改善性能，但是要满足5G性能则需要更大型的网络体系。庆幸的是，如果采用毫米波，则小小区中的天线比传统天线小很多，因此适于安装在灯杆或者建筑物顶上。
这种完全不同的网络结构能够更有效地利用频谱，其原因在于，站数多就表示基站和用户间所使用的频率在其它地方还可以复用，从而不同基站可以采用同一频率为不同的用户提供服务。但是也存在一个问题，那就是5G网络中小小区的数量巨大，因此难以在乡村地区进行部署。
除了采用毫米波之外，5G基站还具有更多的天线数，以便利用大规模MIMO (mMIMO)这项新技术。
大规模MIMO
4G基站具有很多天线端口，发送通常采用8个端口，接收通常采用4个端口。但是5G基站可以支持上百个端口，这意味着大量的天线需要对应到单个阵列上去。这个特性意味着基站可以同时与多个用户进行信号的收发工作，从而使网络容量增加22倍以上。
这项技术称为大规模MIMO(即mMIMO)。MIMO表示多入多出，即无线系统采用2个或者多个收发机来同时收发多路数据。mMIMO将多个天线映射到一个阵列上，从而将MIMO这个概念提高到新的高度。
MIMO在4G基站中已经开始应用了。但是至今为止，MIMO仅在实验室和有限的外场进行过测试。频谱效率是每秒内一些用户所传送的数据比特数，早期的测试中，频谱效率确实得到了很大提高。
mMIMO对未来的5G来说非常关键。然而，安装这么多天线来处理移动话务也会带来很大干扰，这就是为什么5G基站必须使用波束赋形技术。
波束赋形(Beamforming)
采用波束赋形，基站可以采用更有效的传送通路将数据发送给特定用户，从而降低周围用户间的干扰。不同形势(situation)和技术下，5G网络实现波束赋形的方法也不同。
波束赋形可以帮助mMIMO阵列更有效地利用频谱。mMIMO的主要挑战是同时采用多个天线收发数据时需要降低干扰。mMIMO基站上，信号处理算法为每个用户挑选最优空口传输路径。然后，在不同方向上发送数据时，可以采用精确协调好的模式来控制建筑物和其它物体间的信号传送通路。通过对数据包的移动和达到时间进行设计，波束赋形使得mMIMO阵列上的多个用户和天线可同时交换更多的信息。
对于毫米波来说，波束赋形主要用于解决信号易于受物体阻挡和路径衰减较快的问题。这种情况下，波束赋形有助于将信号集中在指向用户方向的波束上，而不是同时在多个方向上进行广播。这种方法可以增强信号完整到达的机会，降低其它方向上的干扰。
5G系统中，采用毫米波可以增强速率，采用mMIMO可以提高频谱效率。除此之外，由于全双工可以改变天线收发数据的路径，因此工程师还尝试采用全双工来获取更高的吞吐量和较低的时延。
全双工
基站和手机可以采用相同频率进行信息接收和发送，但是收发信机需要进行转换(take turns)。当然，如果用户想要同时收发信息，也可以采用不同的频率。
5G系统中，采用全双工技术，可以采用同一频率同时进行数据的收发工作，它可以将物理层速率提高一倍。就像两个人同时说话但是都能够相互听懂一样。
一些战争中已经利用笨重的设备来进行全双工通信了。但是要在个人设备上实现全双工通信还需要努力。比如，在天线同时收发数据时，研究人员必须设计一个电路来实现进/出信号的选路，以避免它们之间的碰撞。
实现全双工的难度在于电波倾向于采用同一频率在前向和后向进行传送，即互易性准则。但是最近，专家们已经组合硅晶体作为高速转换器来进行信号转换，使它们能够在相同频率上同时进行信号的收发工作。
全双工的一个缺点就是它会产生干扰信号，形成烦人的回声。当发射机发射信号时，信号与终端的天线很近，因此比它所接收到的所有信号都要强。期望天线同时收发就需要采用特殊的回声抵消技术。
采用上述这些5G关键技术以及其它技术，工程师们希望建立无线网络来为智能机用户、VR游戏以及自动驾驶等业务来提供服务。研究人员和运营商对5G提供低时延高速率服务充满期待，如果他们能够解决剩余的一些挑战，并指出如何将这些关键技术融合在一起，则超速5G业务在未来的5年内一定可以到达消费者手中。
字幕编写(Writing Credits):
·Amy Nordrum–文章作者& Voice Over
制作:
·Celia Gorman–Executive Producer
·Kristen Clark–Producer
艺术指导和插图(Art Direction and Illustrations):
·Brandon Palacio–Art Director
·Mike Spector–Illustrator
·Ove Edfors–Expert & Illustrator
特别感谢：IEEE Spectrum would like to thank the following experts for their contributions to this video: Harish Krishnaswamy, Columbia University; Gabriel M. Rebeiz, UCSD; Ove Edfors, Lund University; Yonghui Li, University of Sydney; Paul Harris, University of Bristol; Andrew Nix, University of Bristol; Mark Beach, University of Bristol.
（文章来源：5G通信技术）