編譯 之涵

到2018年9月，各大公司將具備制造5G基站所需的規(guī)范；最早到2019年，5G就有可能得到商業(yè)推廣。說到5G的關鍵特征，毫米波傳輸可能當之無愧。

華為無線技術實驗室高級總監(jiān)朱佩英在5G峰會上演講

2018年4月24日至27日，一年一度的布魯克林5G（第五代移動通信技術）峰會在美國紐約舉行，5G發(fā)展的關鍵人物齊聚一堂。在幾場演講和一次小組討論活動中，與會者備受鼓舞。他們了解到有關5G標準化進程的最新進展情況，并獲悉最早到2019年，5G就有能力支持基于全球標準的新無線電技術進行商業(yè)推廣。

也許最重要的是，專家們相信5G新無線電技術規(guī)范Release 15進展順利，會如期推出。Release 15對5G技術的發(fā)展至關重要，因為它為制造商提供了可用于制造設備的規(guī)范。例如，它將描述如何配置5G基站以及這些基站將如何與智能手機進行通信。

令人鼓舞的是，第三代合作伙伴聯(lián)盟計劃（3GPP，由七家電信標準開發(fā)組織組成的聯(lián)盟）在2017年做出的加快5G新無線電（5G NR）發(fā)展進程的決定從未遇到任何重大挫折。

Release 15對5G NR的商業(yè)可行性至關重要，因此3GPP在2017年初決定將該版本分為兩個階段，以確保其獲得成功：非獨立（NSA）版和獨立（SA）版。這一分階段的辦法似乎行之有效。

非獨立版于2017年12月完成并獲得批準，它是第一個5G規(guī)范。非獨立版5G NR以現(xiàn)有的LTE（Long Term Evolution，3G和4G的過渡系統(tǒng)）無線電和LTE核心網(wǎng)為基礎。此外，它的確只能滿足無線電頻譜低于6 GHz的要求，而這一頻譜用于當今已經(jīng)擁擠不堪的移動通信。獨立版 Release 15的第一批規(guī)范于2018年6月發(fā)布，并將在9月得到確認。

毫米波傳輸

3GPP關鍵人物、華為無線技術實驗室高級總監(jiān)朱佩英在她的演講中指出，這些規(guī)范有助于設備的商業(yè)推廣，并在2019年底之前推出獨立版5G NR。到那時，5G移動網(wǎng)絡將可以開始利用6GHz以上的無線電頻譜——該頻譜范圍被稱作毫米波（mm Wave，波長為1～10毫米的電磁波）——從而開放大量未使用的無線電頻譜。這將使移動網(wǎng)絡的新應用成為可能，如可為工廠車間機器人或道路車輛提供低延遲連接的大規(guī)模機器類通信（mMTC）。

在演講中，朱佩英簡要介紹了一些關鍵的技術特點：世界上每一個5G基站的新無線電預計都將在2019年年底前獲得支持，其中最重要的可能是大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）天線和毫米波傳輸?shù)氖褂谩＿m用于Release15的5G NR旨在支持本地增強的大規(guī)模MIMO。有了大規(guī)模MIMO，天線的數(shù)量就從現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)中的十幾個增至數(shù)百個，從而使容量增加20倍。天線數(shù)量的大幅度增加也會帶來一系列問題，例如信號交叉。波束成形等技術將幫助篩選出那些直接定向于基站和移動設備之間的信號。

如果要說5G的關鍵特征，毫米波傳輸可能當之無愧。與目前使用的6 GHz以下頻段相比，毫米波的無線電頻譜介于30 GHz至300 GHz之間。盡管開辟了大量新頻譜，但是在這些頻段下工作意味著信號無法像在6 GHz以下一樣穿過周圍的物體。為了克服與廣播有關的干擾問題，毫米波傳輸要求采用波束成形和小基站等技術。采用小基站技術時，可將大量小型基站分散在同一個環(huán)境中。

當朱佩英的演講進一步深入到5G NR規(guī)范的細節(jié)時，與會小組有時會偏離主題，比如：5G NR會給我們的手機帶來什么變化？有了5G技術，機器與機器通信或物聯(lián)網(wǎng)將會如何發(fā)展？自動駕駛車輛能在云中行駛嗎？

“我們要考慮的不僅僅是5G用戶設備，因為這不再只是手機的問題?！?/p>

——AT&T實驗室阿倫·戈什

AT&T（美國電信運營商）實驗室先進無線技術負責人阿倫·戈什（Arun Ghosh）表示，對手機的持續(xù)關注并沒有與5G的發(fā)展保持同步。雖然我們?yōu)槭褂弥悄苁謾C支付的費用是一項穩(wěn)定的業(yè)務，但5G市場蘊含在新的應用領域中，如大規(guī)模機器類通信?！拔覀儽仨毧紤]的不僅僅是5G用戶設備，因為這不再只是手機的問題?！备晔惭a充道。

他在談到大規(guī)模機器類通信時指出，它可能無法在第一代5G中完全實現(xiàn)。但他預計，窄波束天線的某種演變將以一個符號瞄準特定區(qū)域，并發(fā)出信號構建物聯(lián)網(wǎng)。這一技術規(guī)范很可能出現(xiàn)在5G NR的Release 16階段。

雖然對于5G NR在自動駕駛汽車中發(fā)揮何種作用存在一些分歧，但美國國家儀器公司高級經(jīng)理王伊恩（Ian Wong）指出，連接提供了更好的安全性和信息，但你在開車時并不需要真正連接。

諾基亞無線標準專家安蒂·托斯卡拉（Antti Toskala）表示：“我希望人們會跳到新的頻譜上來提高產(chǎn)能。除了這些標準之外，這些設備更有可能具備先進的功能。4G LTE設備已經(jīng)將這些功能具體化，但實際上人們并沒有將它們加以利用，因為他們缺乏使用這些功能的動機，而5G將見證大量這些功能的使用。5G NR正在向其第一次商業(yè)推廣邁進。”

T-Mobile的5G計劃覆蓋范圍遠超毫米波

T-Mobile（德國電信公司）無線電網(wǎng)絡技術開發(fā)與戰(zhàn)略副總裁卡里·庫爾帕瑪吉（Karri Kuoppamaki）對TMobile的LTE網(wǎng)絡和當前一代的無線技術進行了探討，他認為盡管5G承諾將對網(wǎng)絡基礎設施和數(shù)據(jù)傳輸速率做出重大調整，但它仍將建立在現(xiàn)有網(wǎng)絡之上。

庫爾帕瑪吉說：“人們會將毫米波和5G聯(lián)系在一起，理應如此，但這一頻率還未得到充分開發(fā)利用?！彼蚑-Mobile都認為5G的潛力將遠超高頻毫米波，低頻段和中頻段對下一代無線網(wǎng)絡同樣重要。

T-Mobile計劃開發(fā)覆蓋整個頻譜范圍的5G網(wǎng)絡，而不僅僅局限于高頻毫米波波段。高頻毫米波最大的問題之一是傳播距離短，適用于密集的城市地區(qū)，因為低頻在這些地區(qū)會被障礙物阻擋。若要將5G覆蓋至全美各地，庫爾帕瑪吉認為同樣必須關注低頻段和中頻段：遠距離信號傳播需要用到低頻段，像600 MHz這樣的低頻段將服務于全美各地；而中頻段將成為城鎮(zhèn)和人口稠密城市地區(qū)高頻段毫米波的有益補充。為此，T-Mobile已經(jīng)在全美各地部署600 MHz網(wǎng)絡的基礎設施。

庫爾帕瑪吉看到了可為5 G提供服務的整個頻譜生態(tài)系統(tǒng)。他認為：“5G的發(fā)展將改善整個頻譜——無論我們用LTE做什么，5G都將在此基礎上更上一層樓。”

相控陣：從學術好奇到工業(yè)化實踐

峰會上，由5G相控陣技術的主要研究人員組成的小組還討論了5G相控陣技術的商業(yè)前景：相控陣是否已基本從學術研究變成了工業(yè)實踐？

對于5 G網(wǎng)絡，定向相控陣天線不可或缺。因為要達到1 Gbps數(shù)據(jù)傳輸速率的帶寬需要高頻毫米波傳輸，遺憾的是，通過該頻段傳播的信號在空氣中傳播或穿過建筑物的墻體或窗戶時會遭受很高的路徑損耗。為了最大限度降低損耗，運營商可以將基站直接對準接收器，但這并非總是切實可行，而且也無法真正解決問題。如果希望為那些不停走動的移動電話用戶提供服務，那么就需要一個可控制的高增益和窄波束天線——相控陣天線。

相控陣天線可以將無線電波指向預定方向，該技術已經(jīng)成為5G網(wǎng)絡的關鍵技術。在過去的5至10年間，該技術取得了飛速發(fā)展，并成為5G有望在2020年之前進行商業(yè)推廣的主要原因之一。

近幾年來，硅半導體集成電路技術在滿足傳統(tǒng)發(fā)射/接收功能的同時，也實現(xiàn)了光束引導功能，從而有效地將這些支撐5G的設備成本降至可以大規(guī)模生產(chǎn)和部署的程度。

專家一致認為，相控陣已經(jīng)為5G網(wǎng)絡做好了準備，并將很快從模擬轉換為數(shù)字。

小組討論前，英特爾先進技術總監(jiān)巴爾吉特·辛格（Baljit Singh）和高通技術高級主管奧齊格·科伊曼（Ozge Koymen）在演講中介紹了相控陣技術領域取得的長足進步。他們的演講讓小組主持人、加州大學圣巴巴拉分校教授詹姆斯·巴克沃特（James F.Buckwalter）想起了2017年布魯克林5G峰會的演講者伊恩·格雷沙姆（Ian Gresham）的預測：“相控陣是工業(yè)化實踐，而非學術研究?！?/p>

巴克沃特讓討論小組看看辛格和科伊曼是否對相控陣上執(zhí)行的測試數(shù)量感到滿意，他們都認為對這項技術的測試不充分，現(xiàn)在開始考慮其商業(yè)推廣為時尚早?？埔谅f：“在曼哈頓地區(qū)使用的設備達到1萬臺之前，我們可能無法完全理解哪些問題需要解決?！彼€警告，在5G相控陣技術的第一階段，用戶使用的設備并未得到充分優(yōu)化，不過這一問題可能將很快得到解決。

巴克沃特在意識到小組成員都認為相控陣技術的未來在工業(yè)領域而非學術界之后，便追問他們到5G網(wǎng)絡廣泛應用于商業(yè)領域時，模擬相控陣技術是否會過時？該小組似乎相信，對于第一代5G，模擬相控陣技術已經(jīng)夠用了，但在未來5年，數(shù)字相控陣技術會大行其道。莫斯布魯格（Moosbrugger）表示：“數(shù)字和模擬之間的權衡取決于半導體的熱限，因為我們會在半導體上施加更多的能量。在半導體工藝獲得更高的能量和效率，并且在這些設計產(chǎn)品開始進行小規(guī)模量產(chǎn)之前，這都將是一個問題?！?/p>

資料來源 IEEE Spectrum