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发布日期: 2021年3月16日

射频和5G NR:5大常见问题

5G正在推动无线通信向前发展,实现依赖超高速率、极低延迟和极高可靠性的用例。为了支持5G部署,3GPP制定了一个新的无线接入技术标准,称为5G新空口(New Radio,NR),希望它能成为全球的5G网络标准。在本博客中,我们将就射频和5G NR之间有何关系回答5大常见问题。 

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1. 5G使用哪些射频频段,与4G相比怎么样?

5G技术不仅仅要服务移动宽带,而且还要大幅改进和强化无线通信技术,以支持更加广泛的应用。业内开始提供更多可用的5G频段以支持这些应用(见图1)。5G NR包括多个sub-7 GHz(低于7 GHz)的低频和中频频段(称为FR1),以及高于24 GHz的高频频段(称为FR2/毫米波)。5G频率包括以前所有的无线网络频谱以及sub-7 GHz的其它频谱。提供其它频谱的一个主要原因是为了解决sub-7 GHz频段内过于拥挤的问题(见图1),并克服与吞吐量和带宽有关的物理限制。例如,4G频段的带宽最高可达20 MHz,而5G频段目前支持的最高带宽为每个通道400 MHz。

Figure 1. Frequency spectrum bands and bandwidth availability.
图1:频段和带宽可用性。

2. 毫米波带来了哪些挑战?

毫米波(mmWave)指射频(RF)频谱中波长非常短的那部分波段(依据5G 3GPP的规定,从24.25 GHz到52.6 GHz)。使用毫米波将大幅增加5G的可用带宽,因为到目前为止,这一频段大部分还没有被使用。使用毫米波的另一个优点是它可以更快地传输数据,尽管其传输距离较短。此外,毫米波频段没有那么拥挤。相比之下,较低的频段比较拥挤,充满了电视和无线电信号以及目前的4G LTE网络信号(通常在700 MHz到3000 MHz之间)。

然而,毫米波频谱对于用户设备(UE)和无线天线之间的视距(line-of-sight)要求比较严格。任何障碍物,如基站前的高速公路标志、树木或建筑物,以及移动物体(如汽车),都有可能降低5G FR2信号的传输质量或阻碍其传输(见图2)。

Figure 2. 5G radio frequency spectrum.
图2:5G无线频谱。

3. 大规模MIMO(mMIMO)和波束赋形如何减少5G信号质量的劣化?

多输入多输出(MIMO)是一种在传统的4G/LTE网络中部署的技术,其中无线发射器配备有多个天线端口,从而能够同时将多个数据流传输到用户设备。MIMO用于将与基站连接的用户设备吞吐量提高到原先的两倍(2x2 MIMO)或四倍(4x4 MIMO)。

大规模MIMO(mMIMO)是MIMO的扩展技术,它可以实现64T64R MIMO的配置,即将天线数量增加到64个发射天线和64个接收天线。这使得移动基站具有更高的吞吐量和更高的效率。

波束赋形是mMIMO技术的一种,而随着这些新技术的应用,我们经常会看到二者之间出现一些混淆。波束赋形是一种信号处理技术,它使用mMIMO提供的多个天线在天线和特定用户设备之间实现指向性更高的信号传输(或波束)(见图3)。可以通过修改幅度和相位来控制信号,使天线能够将传输能量聚集在某个特定用户身上。可以将这个概念比作一场音乐会,聚光灯聚焦在舞台上的特定表演者身上。

这种先进的射频技术对于5G尤其是毫米波频段来说非常关键,因为它通过让信号绕过物体来解决视距问题,甚至可以让建筑物墙壁反射信号,以便到达用户设备。

Figure 3. Beamforming signal processing technique
图3:波束赋形信号处理技术

4. 为什么5G中频频段是加快5G部署的关键?

部署5G技术可能是一项具有挑战性的任务,但1 GHz-7 GHz频率范围的中频频谱被认为是5G的理想选择,因为它在覆盖范围和吞吐量之间达到了完美的平衡。5G业内人士认为3.3 GHz-3.8 GHz之间的中频频段特别有吸引力,因为这将使大多数国家都能够在sub-7 GHz频谱范围内获得一个专用的5G频段。

在美国,范围从3.5 GHz到3.7 GHz的射频频谱被称为公民宽带无线电服务(CBRS)频谱。美国联邦通信委员会(FCC)规定CBRS频谱由CBRS联盟(CBRS Alliance)管理,并在三个层级的用户之间共享,即现有访问用户、优先访问许可证(PAL)用户和一般授权访问(GAA)用户。现有用户包括军方和固定的卫星地面站。PAL用户包括必须通过频谱拍卖(许可频谱)获得频谱使用权的运营商。GAA频谱由不需要许可的频谱组成,任何人都可以免费使用。

新的5G无线设备在3.5 GHz频段支持大规模MIMO(mMIMO)和波束赋形。最初,波束赋形仅适用于较高的毫米波频段。现在,无线设备厂商也在5G中频频段支持波束赋形,使得这些频段更具吸引力。这些新的5G中频频段可简化部署并加快迈向5G的竞赛。在全球范围内,为了获得这些新频段,正在举行频谱拍卖活动,而想要在5G部署中占据领先地位,移动运营商需要有雄厚的财力,才能赢得这些梦寐以求的5G中频频段。

5. 什么是TDD?为什么它对5G很重要?

时分双工(TDD)是一种在半双工通信链路上模拟全双工通信的技术,它以相同的频率,但使用同步的时间间隔发送下行链路(DL)信号并接收上行链路(UL)信号(见图4)。使用保证时间将下行链路和上行链路隔开,以免通信通道出现重叠。由于采用了先进的技术,可在几毫秒内完成切换,因此速度足以应对要求低延迟的5G应用场景。这种技术的优势是它在频谱效率方面优于其它技术,并且可以提供更好的延迟结果。

Figure 4. Differences between FDD, TDD and TDD full duplex.
图4:FDD、TDD和TDD全双工之间的区别。

随着5G的出现,通信技术正在迅速发展。工程师们正在突破射频技术的极限,使用单个频率来实现真正的全双工通信,这意味着上行链路和下行链路同时使用相同的频率进行信号传输。为了在相同的频率上实现5G全双工通信,5G NR使用了一种被称为“回声消除”的过程,使最终用户能够在没有任何回声或自干扰的情况下同时发送和接收信号。对于语音通话,直接在每个接收器上将发送的信号消除,使两个人可以同时通话而没有任何重叠。

要进一步了解射频频谱的重要性以及它如何适应5G的要求,请下载我们名为《现今5G世界的射频频谱》的信息图。

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