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5G速度怎么样?有多快?

2016-7-24 12:12:41      点击:

在之前的文章(《怎么完成比4G快十倍?毫米波技能是5G的要害》)中咱们介绍了怎么运用毫米波技能取得更多的频谱资本,接下来的疑问是怎么充分运用这些频谱资本--怎么让多个用户通讯但又互不搅扰,专业术语叫做频谱复用。

图像来历:Phoenix

  咱们必定有过这么的经历,在一间房间里当人不多时,手机信号极好;当许多人集合到房间里的时分,手机信号就会变差,乃至没办法打电话。这种景象归根结底就是频谱复用做得不够好,无法给一切人分配必需的频谱资本。

  有三种经典的频谱复用办法:即时分复用(典型运用:中国移动2G)、频分复用(典型运用:中国联通3G)和码分复用(典型运用:中国联通3G)。能够用一个比如来阐明时分复用、频分复用和码分复用的差异。在一个屋子里有许多人要相互进行通话,为了防止彼此搅扰,能够选用以下办法:

  1) 说话的人依照次序轮流进行说话(时分复用)。

  2) 说话的人能够一起说话,但每自己说话的腔调不相同(频分复用)。

  3) 说话的人选用不相同的言语进行沟通,只需懂同一种言语的人才干够彼此理解(码分复用)。

  当然,这三种办法彼此联系,比方不相同的人能够依照次序用不相同的言语沟通(即中国移动3G的TD-SCDMA)。可是,这三种经典的复用办法都无法充分运用频谱资本,它们要么无法多用户一起间通讯(TDMA),要么无法运用悉数频谱资本(FDMA),要么需求多比特码元才干传递1比特数据(CDMA)。

  那么,有没有一种办法能够战胜以上多路办法的缺陷,让多个用户一起运用悉数频谱通讯呢?让咱们先来考虑一下,假如在一个房间里咱们一起用同一种腔调同一种言语说话会发作啥?

  很明显,在这种情况下会发作相互搅扰。这是由于信号会向着五湖四海传达,所以一自己会听到多自己说话的声响然后无法有用通讯。可是,假如咱们让每个说话的人都用传声筒,让声响只在特定方向传达,这么便不会相互搅扰了。

  在无线通讯中,也能够设法使电磁波按特定方向传达,然后在不相同空间方向的用户能够一起运用悉数频谱资本不间断地进行通讯,也即空分复用(space-division multiple access,SDMA)。SDMA还有另一重好处,即能够削减信号能量的糟蹋:当无线信号在空间中向全方向辐射时,只需一小部分信号能量被接纳机收到变成有用信号。大多数信号并没有被相应的接纳机收到,而是辐射到了其它的接纳机变成了搅扰信号。

  当运用SDMA时,信号能量会集在特定的方向,一方面削减了对其它接纳机的搅扰;一方面也减小了信号能量的糟蹋。

  在5G通讯中,SDMA是大规模MIMO(massive Multiple-Input Multiple-Output,指在发射端和接纳端别离运用大规模发射天线和接纳天线阵列,使信号经过发射端与接纳端的大规模天线阵列传送和接纳,然后改进通讯质量)技能运用的一个主要比如,而将无线信号(电磁波)只按特定方向传达的技能叫做波束成形(beamforming)。

  有了波束成形,很多小伙伴就能够一起在同一个当地欢乐地刷手机上网而不用忧虑信号搅扰的疑问。

  啥是波束?

  “波束”这个词看上去有些陌生,可是“光束”咱们必定都很了解。当一束光的方向都相一起,就成了光束,相似手电筒宣布的光。反之,假如光向五湖四海辐射(如电灯泡宣布的光),则不能构成光束。和光束相同,当一切波的传达方向都共一起,即构成了波束。

生活中的光束,光束也是波束的一种

  工程师运用波束现已有适当久的前史。在二战中,工程师现已将波束运用在雷达中,雷达经过扫描波束方历来勘探全部空间中一切方针的方位。

  另一个比如是卫星通讯,也即咱们生活中常见用于卫星电视的“锅盖天线”。卫星和地上接纳天线的间隔十分远,信号衰减十分大,所以卫星信号到达地上时能量现已十分小。因而,咱们需求想方设法收取卫星宣布的每一点信号能量。当卫星的信号向空间全方向辐射时,绝大多数能量并没有被地上天线接纳到,而是被糟蹋了。为了防止这种糟蹋,咱们在接纳和发射卫星信号时,都会运用波束。这么,发射的电磁波信号都会集在一个方向上,只需接纳天线能对准这个方向,就能够接纳到尽可能多的信号。

波束的传统运用是雷达(左)和卫星通讯(右)

  怎么完成波束成形

  光束完成很简单,只需用不通明的资料把其它方向的光遮住即可。这是由于可见光近似沿直线传达,衍射才干很弱。可是,在无线通讯体系中,信号以衍射才干很强的电磁波的方式存在,所以无法运用生成光束的办法来完成波束成型,而有必要运用别的办法。

  无线通讯电磁波的信号能量在发射机由天线辐射进入空气,并在接纳端由天线接纳。因而,电磁波的辐射方向由天线的特性决议。天线的方向特性能够由辐射方向图(即天线发射的信号在空间不相同方向的幅度)来描绘。

  一般的天线的辐射方向图方向性很弱(即每个方向的辐射强度都差不多,相似电灯泡),而最基本的构成波束的办法则是运用辐射方向性很强的天线(即瞄准一个方向辐射,相似手电筒)。

  可是,此类天线通常体积较大,很难装置到移动终端上(想象一下iPhone上安了一个锅盖天线会是啥姿态)。别的,波束成形需求能够跟着接纳端和发射端之间的相对方位而改动波束的方向。传统运用单一天线构成波束的办法需求滚动天线才干改动波束的方向,而这在手机上明显不可能。因而,有用的波束成形计划运用的是智能天线阵列。

一般天线(方向性弱)和智能天线阵列(方向性强)

  智能天线阵列原理并不复杂。当由两个波源发生的两列波相互干与时,有的方向两列波相互增强,而有的方向两列波恰好抵消(如下图)。

  在波束成形中,咱们有许多个波源(即天线阵列),经过细心操控波源发射的波之间的相对延时和幅度咱们能够做到电磁波辐射的能量都会集在一个方向上(即接纳机地点的方位),而在别的当地电磁波辐射能量很小(即削减了对别的接纳机的搅扰)。

  此外天线辐射的方向能够经过改动波源之间的相对延时和幅度来完成,能够轻松跟踪发射端和接纳端之间相对方位的改动。

波束成型体系架构

  波束成形与毫米波是天作之合

  现在波束成形现已被运用在带有多天线的WiFi路由器中。可是,手机上不可能像路由器相同装置WiFi频段的多根天线,由于天线尺度太大了。

  天线的尺度是由电磁波信号的波长决议的,WiFi和当前手机频段的电磁波波长可达十几公分,因而很难将如此大的天线集成在手机上。为了处理这个疑问,咱们能够把波束成形和毫米波技能联系在一起。

  毫米波波段的波长大约是WiFi和手机频段波长的十分之一摆布,因而能够把多个毫米波天线集成到手机上,完成毫米波频段的波束成形。波束成形和毫米波技能可谓是天作之合,运用毫米波能够给信号传输带来更大的带宽,波束成形则能处理频谱运用疑问,使得5G通讯如虎添翼。

毫米波天线阵列体积很小,能够装置到手机上

  结语

  波束成形能够使信号的能量会集在接纳端地点的方向,然后改进频谱运用功率。波束成形合作毫米波技能能够让通讯体系具有高带宽而且支撑很多用户一起通讯,然后使5G体系如虎添翼。