《卫星通信技术》课堂 19. 5G与6G

fredli1964 2023-09-25

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上世纪80年代，移动电话（Mobile Phone）在美国诞生并迅速普及世界。当时使用的是模拟技术，被称为“第一代移动通讯技术”（First generation mobile communication technology），简称“1G”。到了上世纪90年代，移动通信采用了数字技术，诞生了“第二代移动通信技术”，简称2G。此时欧洲、北美、日本各自都有自己的移动通信系统，出现标准不一致、无法互联互通的情况。在2G的下一步演进过程中，人们意识到应该制定统一的移动通信标准，1998年12月诞生了一个国际标准组织——第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，缩写：3GPP），其成员包括7个区域性标准组织：欧洲电信标准化委员会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）、日本无线电企业协会和电信技术委员会（Association of Radio Industries andBusiness，ARIB和Telecommunications Technology Committee，TTC）、中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）、韩国的电信技术协会（Telecommunications Technology Association，TTA）和北美的世界无线通讯解决方案联盟（The Alliance for TelecommunicationsIndustry Solution，ATIS）。随后3GPP成员不断增加，达到了40多个国家超过500个成员。

5G就是“第五代移动通信技术（5^th generation mobile communication technology）”的简称，它是由3GPP制定的第五代移动通信技术标准。

5G承诺的3个应用场景:

请读者朋友们注意，以上3个应用场景中不可以同时都得到满足。在没有如蒸汽机、电力、数字计算机、大规模集成电路这样的划时代的技术进步出现的情况下，5G是凭借什么技术实现优于目前4G的数百至数千倍的指标提升？

移动通信不是手机到手机的通信，而是一种“蜂窝”网络（Cellular network），每一个蜂窝小区（Cell）有一个基站（(Base station），所有基站通过核心网连接在一起：

A手机通过“基站——核心网——基站”的接力方式完成与B手机的通信。

手机与基站之间是无线电通信，基站之间主要是有线通信，特殊情况下也可以是地面微波通信或者卫星通信。通常手机与基站之间称为“空中接口（Air Interface）”，简称空口。因此，提高移动通信速率、连接数和降低时延都分为两部分——空口与网络。如果空口性能提高了，网络性能没有提高，最终还是无法实现大幅度性能提升。5G会沿着以下三种模式渐进演进：

首先利用现有的4G核心网，建设一种5G与4G双模式基站，我们称其为增强型4G基站，让4G和5G手机都在一个核心网运行；接着利用4G核心网建设5G基站，让5G手机在4G核心网运行；最终实现5G基站和5G核心网的建设，达到5G承诺的性能提升。据有关估计，2025年4G用户数仍然会占据50%到60%的用户比例，很可能2030年以后才能让4G退出应用。

在假设核心网可以实现数百甚至数千倍的性能提升的条件下，咱们来看看5G的空口技术如何实现如此大的性能提升。

空口技术提升分为以下几个方面：

1．信道编码技术；

2．多址接入技术；

3．高阶调制技术；

4．频率带宽提高；

5．空域处理技术。

作者在以往的文章中已经描述过，5G不可能利用信道编码技术成倍提高性能；单纯利用多址接入技术也不可能成倍提高性能；同样，单纯利用高阶调制技术也不可能成倍提高性能。只有采用更小的蜂窝结构，大幅度减少每一个小区（cell）的覆盖面积，因此可以提升频率复用，也提升空口信噪比。空口信噪比提升的条件下，才能采用高阶调制成倍提升性能。但是，小区覆盖面积大幅度减少必然带来基站数量的大幅度增加，建设成本就会大幅度增加。因此，更有效的方法是提高频率带宽，这也是卫星通信提高通信容量一直走的路子。

中国5G频率划分如图：

注意，5G频率划分其实是在原有4G频率基础上增加频率。因此，5G频率增加如图示意：

成倍的频率带宽的增加，带来手机与基站的技术水平提升。其中的核心就是低噪声放大器、功率放大器、射频滤波器、射频开关、天线等等射频器件。而且这些射频器件已经集成为射频芯片，因此，5G性能提升的关键技术之一就是射频芯片技术。另一方面，随着5G频率越来越高，电磁波越不能绕射避开遮挡物传播，就越需要小区覆盖面积变小。频率提高带宽增加、小区覆盖面积减小，这两方面的共同作用，将使得5G性能几十倍、上百倍提升。但是，再进一步提升就要靠采用大规模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output)）的“空域处理技术”了。

其实，手机与基站之间的通信信道是非常复杂的，如图所示：

其中除了可能存在图中路径1的“直射”信号以外，还可能有一些反射和绕射信号，手机在室内时往往都不存在直射信号。手机收到的基站信号是这些信号的叠加。这些信号的传播路径不同，无线电波叠加由于相位不同，就会有时相加（恰好同相），有时相减（恰好反相），假如路径非常多，手机收到的信号用检波器读出的包络如所示：

这个包络信号有2个特点：

1、人们不能预知下一时刻的值是多少，我们称这样的信号为随机信号；

2、采用常规滤波以后，包络仍然是起伏很大的随机信号。

因此，人们就给这样的信号包络起伏起了一个专门的名称：信号的多径衰落。多径衰落会导致通信失败。那么，提高基站天线的发射功率，手机收到的信号包络的衰落会变小吗？读者肯定会猜到，基站天线的发射功率提高，那么多径干扰信号的功率也相应提高，造成的衰落程度不会减弱。早在半个世纪前人们就知道，可以采用如下方法来减少衰落造成的影响，如图：

采用了2根天线发射同样的信号，采用2根天线接收。只要天线A1与天线A2距离足够远，同时天线Ｂ1与天线Ｂ2距离也足够远，使得天线A1与天线B1形成一条信道，天线A2与天线B2形成另一条信道，两条信道相互独立。天线B1的检波输出与天线B2的检波输出相加，这样，总输出信号的衰落就会减弱许多。如果采用6根发射天线和6根接收天线，接收输出的信号的衰落几乎可以忽略。

这是什么道理呢？原来，多天线之间距离足够远以后，接收到的直射信号还是有明确的一一对应关系，但是，多径信号就不可能相同。而且非但不相同，天线Ｂ１和天线Ｂ２收到的多径信号完全无关。请读者记住，对于信号处理而言，一一对应关系非常好，我们总可以让它们相加或者相减。另外，完全无关的关系也非常好，我们可以让他们相加然后平均，就消除它们了。以上的处理被称为：分集接收。已经被数学推导和工程实践证明，它是对付多径衰落的好方法。当然，上图也可以用２根天线发射，１根天线接收；或者１根天线发射，２根天线接收。只要做到２个接收信道独立，效果是完全一样的，都是２分集。２根天线发射，２根天线接收的情况，利用相互交叉的信道，经过适当的处理，可以达到４分集，抗衰落性能更好，我们称分集增益更高。

上图所示是一种早期的分集接收技术，其分集相加是在检波后进行的。凭借当年的硬件水平，检波前相加是难以实现的，或者说，实现起来代价太高。随着硬件水平的提高，检波前相加就可以实现了。比如3G采用的RAKE接收机就是典型代表。RAKE接收机将收到的主要多径信号都“梳理”出来，经过移相使其同相相加，从而达到变废为宝的效果。RAKE就是中文“梳理”的意思。

多天线还有什么好处呢？采用一根或者几根发射天线，无法将信号精准地发送到接收天线，经常９９％以上的能量散落在接收天线以外的方向上而浪费了。但是假如发射天线有几百根之多，采用阵列天线理论，就可以实现精准发射信号，如图所示：

基站天线可以形成几个独立波束，每个波束精准聚焦到一部手机。这样，是可能提高能量效率超过１００倍的，同时，也使得多径更少了。不仅如此，这种方法还增加了一种信道划分的维度，除了我们说过的频分、时分、码分以外，还可以用多波束天线形成空分多址接入（ＳＤＭＡ）。阵列天线理论在雷达技术领域５０年前就基本成熟了。雷达在精确测量、多目标跟踪。成像等方面，上世纪６０年代前，已经非常深入地研究了阵列天线理论。一直到上世纪９０年代，通信领域借鉴了雷达的阵列天线，提出了ＳＤＭＡ和智能天线等新技术。

现在我们说到了多天线的好处：分集接收、ＳＤＭＡ。但是，分集接收还有一个大问题：那么小的手机，即便安装了几个天线，如何能够形成几个独立的接收信道？所谓独立的接收信道，就是每个天线接收到的多径信号是不相关的。手机的几个天线很靠近，怎么样才能使其收到的多径不相关呢？其实，尽管手机天线不能像基站天线那样精细控制波束方向，但是，还是可以粗粗地形成几个波束，手机在不同方向的波束，会收到不同的来波，就可以形成几条独立的接收信道。这与RAKE接收机的思路类似，都是将多径信号化废为宝地利用。

还有一个巧妙的方法：空时编码。通信理论动不动就编码。其实此编码与彼编码都是不同的。空时编码就是采用多天线形成分集的同时，再在不同的时间将信号或者信号的某种变换值多发几次，又形成时间上的分集。空间分集与时间分集联合起来，进一步提高分集增益，就称为空时编码。

5G是靠着减小小区覆盖面积、增加频率带宽、大规模MIMO空时域处理、ＳＤＭＡ等一系列技术，大幅度提高移动通信性能的。而以上一系列技术的基本原理早在几十年前就基本上成熟了，关键在于发展出了大规模集成电路来实现这些基本原理。

再来，5G可以使用的频段大致可以分为1GHz以下低频段、2-6GHz的中频段和毫米波的高频段。采用低频段的5G难以实现5G承诺的性能。采用高频段的毫米波，尽管可以大幅度提高速率，但是毫米波必须视距传播，因此移动通信小区覆盖就会非常小，难以实现无缝覆盖。中国使用的中频段相对来说是最佳的频段。而美国能够用于发展5G的中频段频谱资源极为有限，其6GHz以下（Sub-6GHz）频段频谱已主要被广播电视、军用卫星和雷达所占据，因此，美国主要选择毫米波频谱用于发展初期5G网络，而中低频用于5G网络的频谱极其有限。这个原因才是美国5G发展缓慢的瓶颈。那么，美国的解决方案会如何？示意如图：

在地球上空采用低轨道、中轨道和同步轨道卫星的星间链路构成网络，这个星间链路有可能采用极大容量的激光通信。在地面开阔处建基站，基站与卫星构成网络。基站将卫星的高频率信号转换成低频率的WiF信号供手机接入。美国东部时间4月22日下午3:30分，SpaceX成功发射了第7批60颗Starlink卫星，在轨卫星总数达到422颗。马斯克放话：6个月内推出公众测试版本！