5G時代的射頻技術發(fā)展趨勢

無線專家們表示，到2020年5G蜂窩網(wǎng)絡有望產(chǎn)生兩種新的空中接口和基于最新大規(guī)模MIMO技術的新天線設計。與此同時，LTE將突破Gbit/s瓶頸。“我們應該為毫米波頻段開發(fā)一種新的空中接口。當然，用于訪問物聯(lián)網(wǎng)的另外一種空中接口應該也會有一些機會。”Intel公司首席無線技術專家Kenneth Stewart在由WiFi專業(yè)公司Quantenna舉辦的大會演講中指出。

Stewart建議，在種類廣泛的物聯(lián)網(wǎng)領域，一些設備可以從量身定制的空中接口中受益，比如那些“在發(fā)送之前不必同步的設備……我們希望看到針對特殊用例的創(chuàng)新。“Steward 認為，LTE和WiFi在5G發(fā)明之后仍會繼續(xù)存在很長一段時間。他介紹了一種2020年的無線芯片概念(如圖1)：使用全套3G、4G和5G接口，除了 802.11ax WiFi和藍牙5.0外，還支持多達60個LTE頻段。“我們認為推出這種器件原則上沒有什么困難。”

圖1：2020年代的無線芯片概念圖。

他鼓勵大家發(fā)明適合使用這種芯片組的殺手級手機：

我們尚欠缺的是5G網(wǎng)絡下的設備或用戶體驗，就像iPhone對3G或4G網(wǎng)絡的推動作用——它要求部署這些網(wǎng)絡。我們還沒有見到能夠充分發(fā)揮未來5G網(wǎng)絡優(yōu)勢的設備。我們認為尋找和提供這種設備是一個很好的機會。專家們普遍同意5G的先進性將主要取決于毫米波頻率和大規(guī)模MIMO天線的使用。“5G的大多數(shù)利益和優(yōu)勢都依賴于大約28GHz至90GHz范圍內的毫米波的使用。”Stewart指出。

Intel公司已經(jīng)朝這個方向邁進，目前正在推一款名為Maple Peak的60GHz WiGig產(chǎn)品。該產(chǎn)品主要用于無線筆記本電腦擴展塢，使用了一個2×8 倒裝芯片綁定的天線陣列。“挑戰(zhàn)主要在于功效，在這個領域有許多基礎性工作要做。”ITU為5G網(wǎng)絡規(guī)定了一系列目標(見表1)，包括針對某些服務超過10Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。“我們相信毫米波頻段的WiFi和LTE能達到這個目標。”

表1：ITU的5G網(wǎng)絡規(guī)定。

Stewart預測到這個十年末LTE將能達到Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。“如果幸運的話，”手機也將能使用諸如大規(guī)模MIMO等技術在相同頻段中收發(fā)數(shù)據(jù)。大規(guī)模MIMO之父、貝爾實驗室的Thomas Marzetta介紹了對這種技術的研究進展。有次實驗成功地使用675副天線給10個用戶每人提供Gbit/s的速率。另外一次實驗給同一蜂窩中的每個 用戶提供了5Gbit/s的速率，即使位于蜂窩邊緣的用戶也能達到這個速率。

“還沒聽說過使用相對較小的頻譜。”Marzetta表示，“10倍的改進很難達到，而大規(guī)模MIMO能夠輕松實現(xiàn)超過10倍的改進，并且不需要復雜的信號解碼。”大規(guī)模MIMO技術將淘汰今天的點到點MIMO系統(tǒng)，并且可能消除對小蜂窩基站的需求，Marzetta指出，“我相信LTE和WiFi如果不轉變到大規(guī)模MIMO的話有可能提前退出歷史舞臺。”

Stewart認為搭建這種天線陣列、并能以較低成本達到一致性能仍面臨許多艱巨的挑戰(zhàn)。“在這個技術領域中，信息理論和實現(xiàn)團隊之間仍缺乏基本有效的溝通。”他提醒道。即使是Marzetta也表示，大規(guī)模MIMO在他的母公司阿爾卡特－朗訊也仍然只是一個研究課題。小蜂窩基站仍是阿朗公司發(fā)展戰(zhàn)略的基礎。今天的802.11ac在下行鏈路信道上支持多用戶MIMO，但Quantenna等公司需要推動對諸如體育館等用例中上行鏈路的支持，被稱為MIMO之父斯坦福大學教授Arogyasawami Paulraj表示。

新興大規(guī)模MIMO技術是毫米波傳輸中波束成型技術的關鍵。毫米波可以穿過植物等可能使信號衰減達8至10dB的障礙物，Paulraj指出。他已經(jīng)與美國監(jiān)管部門就支持毫米波波束成形技術所需的規(guī)程修改進行了磋商。在5G網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)可能在寬帶毫米波信道上傳輸，控制信號則走較慢的3G路由，他補充道。“不管會遇到什么問題，毫米波頻率肯定會得到應用，雖然有時可能獲得大吞吐量后又失去大吞吐量。”Intel公司的Stewart和Paulraj一致認為，5G將包含許多種技術，包括大規(guī)模MIMO LTE、多種WiFi甚至藍牙。

“1G、2G、3G和4G的推動力來自頻譜效率和吞吐量的增長，但5G更加關注多種頻譜和技術的整合，以便給用戶一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡界面。”Stewart表示，“在網(wǎng)絡上層，將所有這些集成到單個流程中還面臨諸多艱巨的挑戰(zhàn)。”

圖2：隨著新的5G網(wǎng)絡的興起，老的空中接口將繼續(xù)使用，Intel公司的Stewart表示。