如何设计和验证 5G 系统，第 2 部分

直到最近，毫米波的使用受到限制，因为它们难以管理并且电子设备不足以处理它们。它主要局限于射电天文学和卫星通信。近年来，随着技术进步将毫米波推向移动通信的最前沿，取代了因 4G 移动通信的广泛采用而饱和的厘米波频谱，这一切在最近几年发生了变化。

需要考虑的几个数据点：首先，整个毫米波频谱比厘米波频谱宽约 10 倍(300GHz - 30GHz = 270 GHz)，提供了充足的扩展空间。因此，毫米波网络可以同时支持许多高带宽通道，每个通道都发送和接收大量数据。

除了高容量之外，5G 系统的架构还可以提供比前几代无线网络显着降低的延迟(延迟 = 数据传输和接收之间的延迟)。4G 网络的最小延迟徘徊在 70 毫秒左右。今天早期的 5G 网络可以提供低至 10 毫秒的延迟，预计最终将降至 1 毫秒。这种显着降低的延迟将减少或消除无线通话和视频聊天中令人沮丧的延迟。在某些情况下，例如无人驾驶汽车和远程医疗，通过近乎即时的连接实现的快速响应可能会避免不必要的伤害或死亡。

更重要的是，毫米波的传播波束宽度比厘米波更窄，毫米波的传播波束宽度是衡量传输波束在远离其原点时如何扩散的指标。虽然厘米波信号的较宽波束宽度由于干扰而减少了相同信号在本地地理区域内的重复传输，但毫米波较窄的波束减轻了干扰并支持使用相同频率范围的近距离多次传输。

不幸的是，毫米波有缺点，包括传输范围有限。物理定律规定，波长越短，给定功率的传输范围越短，这种影响主要是由于大气衰减。此外，毫米波信号衰减很快，因为它们不容易穿过建筑物或障碍物，并且会被树木、树叶和雨水吸收。由于其较差的传播特性，毫米波信号需要大量的无线电单元 (RU) 才能实现所需的覆盖范围。

波束成形

波束成形是一种用于减少支持信道所需的发射机功率以及增加网络容量的技术。传统无线电向各个方向传输信号时，无线波束成形缩小了发射器信号的焦点，将其能量集中到直接瞄准接收器的紧密波束中。这增加了该接收器的信号强度，同时将周围的信号干扰降至最低。

在 5G 中，波束成形在控制系统功率和通过特殊复用将功率集中在用户身上发挥着重要作用。此外，短毫米波长使得构建多元素动态波束成形天线变得切实可行，这些天线足够小以适合手机。

大规模 MIMO

多输入多输出 (MIMO) 无线电在发射器和接收器中使用多个天线来增加天线链路的容量，并最终提高网络的效率，同时减少传输错误。该方法已用于 3G(演进的高速分组接入或 HSPA+)和 4G(LTE 或长期演进)无线标准，但仅限于少数(个位数)天线。

毫米波的极短波长使得使用小型天线阵列将信号集中到具有足够增益的高度聚焦波束中成为可能，从而克服传播损耗并显着提高通信效率和吞吐量。天线越多，通信效率越高。

大规模 MIMO 可以将技术推向数百个天线。在 5G 中，大规模 MIMO 可能需要在发射端多达 256 个天线，在接收端多达四个天线和两层。来自接收端所有天线的所有信号都被组合起来，以提高链路的稳健性，并将系统的比特率提高到 10 Gbps(每层 3.2 Gbps，最多四层)。

这种方法的缺点是无线电基带处理器的复杂性随着系统中天线的数量和调制阶数呈指数增长。

载波聚合

载波聚合提高了通信的效率。一般来说，广播频谱价格昂贵，在 4G 中变得越来越拥挤。因此，在使用可用频谱方面变得更聪明是至关重要的。载波聚合可能涉及在 4G 中使用一个频段，在 5G 中使用另一个频段。通过组合它们，可以显着提高传输数据速率。

小cell

支持高达 4G 的所有标准的基础设施包括在整个地理区域传播蜂窝信号的大型手机信号塔。5G 将改变这种方法。服务提供商不会建造大塔，而是将他们的设备(称为小型蜂窝)安装在现有的电线杆、建筑物和其他结构上。这些单元的范围通常约为 250 米(820 英尺)。

毫米波信号较短的传播特性鼓励服务提供商创建更密集的基础设施，即更靠近的基站，以确保广泛和一致的服务。

服务质量

5G 通信的一个重要要求是提高服务质量 (QoS)。以前的所有无线标准都专注于向客户提供更高的数据速率，但 QoS 并不是优先事项。随着物联网设备的出现，尤其是无人驾驶汽车的出现，这种情况发生了变化。在这些应用程序以及许多其他应用程序中，QoS 现在是一项关键要求。

如果在 4G 通信中呼叫掉线，系统会选择另一个频率、另一个信道或更改为另一个调制方案。当前设备的有限功率迫使它们在协议栈中更高的链路层运行以切换到新的频率或调制方案，从而延长了完成切换和从故障中恢复的时间。

在 5G 环境中，必须在几毫秒内执行选择，迫使系统在物理层运行。当通信性能下降时，必须在几毫秒内完成切换到新频率或其他调制方案。

处理更接近物理层的 QoS 以使不同类型的设备能够连接到网络非常重要。

5G 标准是之前所有四种无线标准的飞跃，承诺更快的速度、更高的数据传输速率、更低的延迟和更广的覆盖范围。累积起来，5G 将结束阻碍老化的 4G 标准的拥塞和延迟问题。