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带你读《果壳中的5G:新网络时代的技术内涵与商业思维》第二章通信世界的第二次嬗变2.2(一)

简介: 《果壳中的5G:新网络时代的技术内涵与商业思维》第二章通信世界的第二次嬗变2.2(一)
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超高带宽的得与失,当移动通信走入毫米波段                                                                                     

 

 

5G 的核心场景之一为增强型移动宽带(eMBB)。这表明 5G网络必须有能力传输高带宽的数字信号,同时意味着5G网络必须选择更高的通信频率,这是由无线通信的基本性质所决定的。

所有用于数据传输的无线通信信号都是调制在一个载波频率上被发送和接收的。我们通常所说的通信频率,实际是指的这个载波的频率,而我们通常所说的传输带宽是指的通信信号的带宽。通信信号带宽和载波频率有着对应的关系,载波频率越高,能够承载的通信信号的带宽也越高。这就好比一辆集装箱货车,它的集装箱长度越长,那么它能够装下的最长货物也越长(见图2-5)。你不能指望把一个运载火箭装载在一辆民用轿车的后备厢里。载波频率就是这个运输车的集装箱长度。所以,提升通信所使用的载波频率就相当于提升集装箱的长度,只有这样才有可能传输宽频信号。

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图 2-5 通信技术演进过程所采用的载波频段


  提升载波的带宽承载能力只是选择高频段通信的一个原因,还有另一个原因是无奈。因为,通信技术发展是由相对技术难度较低的低频段通信 开始的,在长期的通信业务发展过程中,低频段的频率资源已经被分配得比较充分了,很难在低频段找到大片的空闲频谱空间。这就好比一个城市经过长期历史汇集,居住区域将会十分密集,你忽然想要率领 1000人迁入这座城市,这是很难实现的,唯一的解决办法就是在郊区另建居住的区域。其实通信频率资源使用和城市区域的建设一样,就是这样一点点向外扩大   边界的。这就是为什么从 0G到4G,我们看到通信的载波频率始终在向高频发展的原因。


5GeMBB的带宽需求设计目标要达到 400MHz,这是很难在低频段实现的,所以   5G   必须走向更高频段。而且,基于目前通信频谱的实际使用情况来看,能够提供这样高带宽的空闲频段,最低的载波频率也需要达到 24GHz 以上。由于这个频段的载波波长是毫米级的,所以,5G在这个频段的通信也就被称为毫米波通信(mmWaveCommunications)。毫米波通信是5G为了实现 eMBB应用场景的必然选择,也是 5G网络中最具特色的通信特征。


毫米波通信对于 5G 来说有很多的好处:首先,毫米波频率资源相对丰富,在构建高带宽能力上可以更加游刃有余;其次,毫米波的抗干扰能力强,这有利于 5G 网络构建高质量的通信信道;最后,处理和传输毫米波的器件体积可以做得比较小,因此,毫米波通信设备也更容易进行微型化的制造,这有利于5G 开启更加丰富的应用场景。所以,5G的毫米波通信特征使得很多的微型基站,微型移动通信设备大量涌现。


但是,天下没有免费的午餐,毫米波通信所带来的这些好处并不是没有代价的。毫米波有很多天生的缺陷其实并不适合移动通信,这些缺陷也将成为 5G发展过程中需要克服的重大障碍。


首先,在发射功率不变的情况下,频率越高的信号,衰减的速度越快,因此传输的距离也就越短。而且毫米波很容易受大气中的悬浮颗粒影响,   这就会更加影响毫米波的传播距离。因此,5G 网络使用毫米波通信的直接结果就是会导致 5G基站的覆盖范围比 4G基站小得多。这意味着,为了覆盖相同面积的区域,5G网络需要建设比4G网络更多、更密的基站才行。4G基站的覆盖半径为1~3km,而5G基站的覆盖半径只有100~300m(见图2-6)。             

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图 2-65G的无线接入网需要比 4G更加密集的基站部署

其次,毫米波信号的穿透能力很低,基本上不能穿透任何固体,这就意味着用毫米波基站进行覆盖规划时会相当复杂,任何的阻拦和遮挡都会造成信号的大幅度衰减。进行室内覆盖时,这个问题将会尤为突出。为了弥补毫米波通信所带来的物理限制,5G   网络的部署方案就必须采用超密集网络(Ultra-DensityNetwork,UDN)的形式来进行。如此密集的基站部署将给 5G 网络的部署带来困难。


一方面,由于基站的密集建设,网络建设成本将会大幅提升,网络建设的费用不仅仅是体现在基站设备的购买成本上,还体现在安装基站的站址获取上。由于大多数基站的安装站址并不为运营商所拥有,因此,密集的基站部署就意味着运营商需要购买或租用大量的基站站址并支付站址服务费用才能完成5G 网络基站的部署。另一方面,基站数量的增多同时也意味着连接基站与核心网络的光纤线路随之增多,数据传输费用也会增高,同时区域内基站耗电量也会随之加大,运营商对于密集网络的运营维护成本也会由此大幅度增加。


以上问题还仅是从网络建设和运维的成本角度来看。在技术层面上,由于超密集网络的基站部署十分密集,那么基站与基站之间如何保障通信协同,如何避免相互干扰也将变得比以往的通信网络更加复杂。蜂窝基站的过于密集,意味着用户在移动通信的过程中需要频繁切换基站,这对于保障用户的高通信质量过程是非常艰巨的挑战。


 

 

 

 

 

 

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