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5G的到来并不仅仅意味着网速的提升，它将会与之前几代的通信大不一样。在5G场景中，如果你需要看视频，或短时间内传输大量的数据，那5G网络就会给你超高的带宽；如果你只是一个IoT的小节点，只需要传输几比特的数据，那5G网络就会分配给你一个很窄的带宽；如果你需要远程操控机器人来做手术、或者自动驾驶，那么5G网络就会分配给一个高可靠性、超低延时的网络，并同时多建几个链接备用，以备不时之需……也就是说5G将会是一个“按需分配”的网络。 那如何才能让5G能够实现“按需分配”呢？“实际上，这是多种技术相互融合的结果，” Qualcomm Technologies, Inc.产品市场高级总监沈磊解释说，“这里应用到的几个主要技术包括：载波聚合、高阶调制、更高阶的MIMO、波束赋形和波形跟踪。”
载波聚合将更加重要5G并不是凭空产生的，它使用的技术，其实很多都是从4G演化过来的，“5G使用频谱的可能性、毫米波以及多天线阵列，都是从4G或者是通过其他的，比如802.11ad等一些线路发展过来的。”沈磊指出。 他拿高通在不久前发布的X50 5G调制解调器举例说，“X50是一款支持5G早期验证和技术储备的一款调制解调器器芯片，它可以将8个100MHz的5G载波，聚合成800M的带宽。4G LTE的一个载波是20MHz，3G是5MHz，GSM是0.2MHz。由于X50使用了100M的带宽，再加上更高阶的调制方式，它可以提供下行5Gbps的速率，这比1Gbps的千兆级LTE提升了5倍。” 载波聚合其实也是4G LTE的关键技术之一，但它在5G中的重要性将更加明显。5G支持的6GHz以下低频段，授权频段最多到3.5GHz，非授权频段大概到5GHz，这些频段都比较低，所以相对来说带宽比较受限，而且也比较离散。 再加上每个运营商、每个国家和地区使用的频段各不相同，这是因为在从2G到3G的发展过程中，很多频段都被占用了，还有很多拿出来做一些其他的应用，因此能够找到的频段中，各个国家使用的各不相同，同时也很离散。 “在6GHz以下频段，骁龙X16 LTE调制解调器可以根据不同情况灵活地将四个载波聚合在一起，不管载波是在授权频段还是在非授权频段，它都可以聚合在一起。”沈磊指出。 由于芯片的限制和系统复杂度的权衡，在4G 时代，调制解调器最多能聚合四个载波，最多10个数据流。到5G时代，以骁龙X50调制解调器为例，它是支持28GHz的高频段(这个频段还没有被拍卖，或没有给运营商使用)。 沈磊表示，频段高了之后，带宽也会明显增加。“那么到毫米波这个频段，我们再谈论的就不是几十兆赫兹的带宽，它将会是几百兆、甚至千兆级的带宽。还是那句话，带宽越宽，单位时间可以搬运的数据就越多。骁龙X50 5G调制解调器在28GHz频段上运行，它可以在这个频段上聚合八个载波，每个载波支持100MHz带宽，那就是800MHz带宽，从而实现数据传输能力的明显提升，数据传输速率从千兆级一直到5Gbps，这是最主要的因素。” 波束成形和波束追踪让毫米波更具优势目前比较宽泛的定义是24GHz以上就叫毫米波，5G现在有意向在24GHz到100GHz频段中的好几个点实现部署，比如24GHz附近、60GHz附近、75GHz附近，“当然这还需要国际电信联盟和3GPP进行大量协商和准备的工作，但是在毫米波上部署5G是很大的可能之一。”沈磊表示。不过他也同时指出，5G其实并不一定非要使用毫米波。5G也可以在6GHz以下频段运行，传统的2G/3G的频谱用来做5G也是完全有可能的。 只是因为5G是追求增强型移动宽带、海量物联网部署和关键业务型服务的低时延，而在这三个领域中，增强型移动宽带需要更高带宽、更高数据传输速率，所以它使用毫米波的可能性是比较大的。 其实事实上，毫米波的概念早就已经有了。但由于毫米波的传输性能劣于低频段。在开放空间传输数据时，氧分子对它的吸收会比低频谱明显，所以毫米波频谱衰减得比较快。另外，这个频谱穿过/绕过障碍物的能力比较差，以前大家对毫米波的感觉就是短距传输，不能传输太远，也不能穿过障碍物。但为了得到更高的数据传输速率，我们必须要有更高的带宽。
其实对于如何抵消掉毫米波的劣势，答案恰恰也是在毫米波更高的频率上。据沈磊介绍，由于毫米波频率的提高，电磁波的波长变短了，这样天线就可以做成很小的尺寸。 “现在手机中天线的长度还是几厘米，它需要有一个完整的立体空间。如果用毫米波，它的波长是毫米级别，因此单一天线也将是毫米级别，这样天线便很容易塞到手机中，同时还有可能塞多个天线。”他解释说，“多个天线的优势就是它可以形成一个天线阵列，每个天线会发出自己的振幅和相位。如果我们能控制这些天线，让它发出的每个电磁波的空间互相抵消或者增强，就可以形成一个波束，而不再是全向发射。” 直到今天为止，2G、3G、4G、包括千兆级LTE，所有的天线发射都是全向发射。举例来说，一个终端和基站之间的通讯，不管是基站还是终端，它们都是全向发射，意味着终端发出去的能量绝大部分都被浪费，只有朝向基站方向的能量最后被接收了。 沈磊举例说，如果发射能量的终端附近有其他终端，那么它发出的能量对其他终端都是干扰的，它既浪费了很多能量，又干扰了别的终端。如果终端中有很多天线，它就不需要再全向发射。只有一、两根天线是不能形成很窄的波束，但如果有8根、16根、或者32根天线，就可以很容易地让其中每个天线的电磁波空间叠加、计算出很窄的波束，再把所有能量聚集在上面，对想发射的那个方向进行传输，这就是波束成形。 当然，仅仅有波束成形技术还不够，因为终端是有移动性的，人要行走，车要移动，这些终端在移动的过程中。因此，还需要波束追踪技术的帮忙。有了波束追踪技术，基站可以追踪终端不断变化的位置，每秒钟计算终端在什么地方，一直调节这个波束，使得两个互相通讯点之间、终端和基站之间维持稳定的自适应波束，现在的天线技术已经完全可以达到这个效果。 通过使用高阶MIMO和天线阵列，可以形成很窄的波束，天线不需要再全向发射，而是把有限的能量都集中在一条线上进行传输，因此能量传输速率就可以得到明显提升，补偿快速衰减的频谱特性。收发两点之间只是一条线，另外其他收发两点之间形成的是另外一条线，因此空间重合和干扰的机会很小。 在基站和手机都是全向发射的时候，天线需要做大量的滤波，编码复杂程度也相应比较高。但如果基站和终端之间只有一个波束，跟其他终端与基站之间的连接互不影响，那么整个系统的功耗和复杂程度都可以降下来。
虽然毫米波不能直接绕开障碍物，但其实波束是可以有很好的折射效果的，沈磊表示，“Qualcomm做了很多的开发和实验改进的结果。大家可以把毫米波想象成一束光，这束光照着我的时候，我就可以传输，当我躲到一个东西后面，看不到光，我就得不到任何的覆盖或者传输，能量通信就断了。但事实上并不是这样，当我躲到一个障碍物之后，在室内有墙、有玻璃，在户外有其他的建筑物、树木，它仍然可以找到一个好的方向、一个好的波束，经过几次反射、折射之后，把光传输的对象传输过来，这个效果还是非常理想的。” “有了自适应波束成形和波束追踪技术的支持，就可以很好地补偿，甚至抵消掉毫米波的劣势。”沈磊总结。 千兆级LTEX50 5G调制解调器是配合Verizon 5G TF和Korea Telecom先于3GPP的验证和部署。对于全球5G标准——5G新空口(5G NR)，从整体来看，全球都在按照3GPP来进行5G标准的相关工作。这个工作是2016年3月开始，现在Release 14在做研究项目，预计Release 15的工作项目会在2017年开始并将在2018年左右的时间完成，来定义首批的5G功能，并为预计2019年的早期部署做好准备。 5G被很多国家认定是经济社会发展过程中的重要推动力，5G的发展越快，大家就会受益，但沈磊也承认，“并不是说5G出现，4G就会戛然而止，远远不会这样，4G还会继续发展、演进，我们现在是LTE、LTE-A、LTE-A Pro，它会和5G长期共存和互补。这是未来5G全球标准商业化的步骤。”
因此，Qualcomm推出了千兆级的LTE多模芯片组——骁龙X16 LTE调制解调器。该款调制解调器采用14纳米FinFET工艺和Qualcomm射频收发器WTR5975。骁龙X16 LTE调制解调器通过支持跨FDD和TDD频谱最高达4×20 MHz的下行链路载波聚合和256-QAM，带来“像光纤一样”的最高达1 Gbps的LTE Category 16下载速度；它还通过支持最高达2×20 MHz的上行链路载波聚合以及64-QAM，带来高达150 Mbps的上行速度。 LTE的基准点是需要两个天线，也就是最少2×2MIMO。“拿现在的手机来讲，一般都是两根天线，在两个对角的位置或者一根上，一根下。现在手机很难设计，因为要越来越薄，而电池、很多应用处理器还有相机模组越来越大，所以留给天线的空间越来越小。2×2MIMO在研发上已经有一定的挑战。而且手机的金属外壳会妨碍天线性能，还有用户的手也会形成阻碍。所以天线性能是在下降，越来越难做。”沈磊举例。 “如果做4×4MIMO，就需要4个链路、4套天线。要再塞两套天线进手机，除了芯片之外，板级设计也是一个要攻克的难题。”，不过他透露说，“我们很高兴看到，目前已经有厂商攻克了这个难题，比如面向北美T-Mobile的三星Galaxy S7/S7 EDGE和Sony Xperia XZ就是4×4MIMO。” 面向物联网应用的LTE Category M1/NB-1调制解调器LTE在向更快速率、更广覆盖、以及更先进的方向发展。此外，LTE也在向价格更低廉、更小巧、更海量装机的方向发展，催生未来面向物联网的LTE技术。 今年6月份国际标准化组织3GPP通过的Release 13发布了两个全新LTE规格，一个是Cat-M1(eMTC)，另外一个规格是Cat-NB1。这两个是在现有的LTE如Cat9、Cat12、Cat16的基础上，往另一个方向发展。现在很多IoT都在使用Cat4或Cat1，基本上还是和LTE是相同的20MHz，每秒传输10M比特的速率。要应对刚才提到的非常丰富的潜在应用场景，这两个规格都有大幅度的改动。
沈磊详细介绍了改动的情况，一是体现在降低系统的复杂程度。比如把带宽降下来，Cat-M1的下行是1Mbps，Cat-NB1的下行20~30Kbps，上行可能有60~70Kbps。带宽降下来之后，数据传输速率也就降下来。以上这些降低复杂程度的工作，就是为了降低modem或模块的成本，可以向GSM的成本靠近，或者是突破它的成本。 另外一方面是提升它的续航能力。以前一个Cat.4模块，用两节AA电池的话，可以使用大概1~2天。Cat1可能做到5到10天，但要非常仔细的管理。这两个技术从网络侧到终端侧，改变它的规格，让它用有更好的省电模式、更多的待机选择，用质量好一点的AA电池，它可以工作到10年以上。集成这个模块再加上传感器设计成的终端，埋到墙或井里，或者放到地下、水泥下，很久时间都不需要把它挖出来，它可以一直工作。绝大部分IoT用的都是低带宽，不一定要很高的传输速率，它只要定期汇报一些小量的数据就可以。 还有一个是装机的节点密度，也就是能装多少。对于一个基站，使用普通的4G手机的用户可能达到几十个或者上百个，这个小区负载就很重了。使用Cat4、Cat1可能还没有什么变化，但是到了Cat-M1、Cat-NB-1，整个网络环境中所处理的节点密度会有质的增加。根据Qualcomm和中国运营商做的一些仿真结果显示，对于Cat-M1，有些运营商的一个基站(几百米范围内)可以覆盖1.8万个节点，这个小区都还工作得很好。而Cat-NB1则达到了另外一个极致，它可以做到4万、甚至5万个节点。 最为新的规格，如何使用已有的LTE网络，在部署的时候就做了大量的考虑。比如说Cat-M1所部署的1.4MHz载波可以塞到任何一个LTE 20Mbps的频段里，部署中还可以根据使用的情况来回跳频。Cat-NB1更加灵活，在200KHz的窄带工作，由于非常窄，可以放在20MHz已有的LTE带内，也可以放在带隙间。 整体来讲，把Cat-NB1和Cat-M1部署到已有的LTE载波里面，考虑到较高的部署密度，实际占用整个LTE网络的容量其实非常有限。“虽然是海量装机，但是数据率非常低，也不会一直工作。比如有一些电表可能一个星期才启动汇报一次读数。所以通过估算，现有的4G网络里面将继续部署数万个Cat-M1和Cat-NB1的设备。即使在一个LTE网络里面部署了大量的Cat-M1和Cat-NB1节点，它占用整个基站的数据容量还是微乎其微的，大概小于0.1%。”沈磊这样解释。 此外，Cat-M1和Cat-NB1其实是有很大差别的。Cat-M1保留了移动性，保持了一定的带宽和数据速率，以及一定语音能力；而Cat-NB1更强调成本和功耗。 为了综合这两个规格的优势，Qualcomm推出了包含这两个规格的调制解调器芯片MDM9206。“目前全球运营商在20多个不同的频段上计划部署这两个规格。如果能做一个多频的芯片或模块，一个模块支持所有频段，那么成本优化就更加增加了。如果我是一个做模块的OEM厂商，购买一个芯片做模块，在世界各个不同的运营商进行部署的时候，一个模块就足够，而不需要做20个、30个不同的模块。那么它的研发成本，器件和产品库存成本都会明显下降。”沈磊这样解释多模芯片所带来的好处。 本文为《电子工程专辑》原创，版权所有，转载请注明出处并附链接 关注最前沿的电子设计资讯，请关注“电子工程专辑微信公众号”。
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图1：Qualcomm Technologies, Inc.产品市场高级总监沈磊。
图2：通过自适应波束成形和波束追踪技术降低毫米波的局限性。
图3：毫米波的移动性演示。
图4：5G标准制定路线图。
图5：面向物联网的LTE标准。
