5G基础原理研究

 瑞华今日     |      2020-11-23 09:19
1神奇的物理学公式     移动通信从1G5G,再往后,都遵从这样一个既简单又神奇的公式:       频率越低,网络建设就越省钱,竞争起来就越有利。    上面这个公式是物理学的基本公式,光速=波长×频率。     通信技术归根到底分为两种——有线通信和无线通信。       信息在实体物质上传播,就是有线通信,基本上是用铜线、光纤这些线缆,统称为有线介质。在有线介质上传播数据,速率可以达到很高的数值。以光纤为例,在实验室中,单条光纤最大速度已达到了 26Tbps,是传统网线的两万六千倍。     目前主流的移动通信标准是 4G LTE,理论速率只有150Mbps(不包括载波聚合)。这个和有线是完全没办法相比的。     无线通信是用电磁波来传输信息,电磁波的波长与频率成反比。在使用无线电波时,波长越长,衍射能力越大,传播距离越远。频率越大,衍射能力越弱,只能直线传播,但是能够携带更多的信息。 25G的频率与波长     电磁波频谱如下图,可见光的波长小于无线电波,因而可见光的衍射能力较弱,只能直线传播。       电磁波的频率资源是有限的。为了避免干扰和冲突,按照无线电波频段不同,分配给不同的对象和用途。       我们主要是用中频~超高频进行手机通信的。目前全球主流的 4G LTE 技术标准,属于特高频和超高频。     例如经常说的「GSM900」、「CDMA800」,其实意思就是指,工作频段在 900MHz GSM,和工作频段在 800MHz CDMA     我们国家主要使用的超高频波段:       5G频率范围,分为两种:一种是 6GHz 以下,这个和目前的 2/3/4G 差别不算太大。还有一种,在 24GHz 以上:       目前,万博客户端官网下载上主要使用 28GHz 进行试验。按 28GHz 来算,根据前文提到的公式:       电磁波的显著特点:频率越高,波长越短,衍射能力越差,在传播介质中的衰减也越大,越趋近于直线传播,传播距离也越短,但是携带的信息量越大,传输速率也就越高。     高频段移动通信最大的问题就是传输距离大幅缩短,覆盖能力大幅减弱。为了覆盖同一个区域,需要的 5G 基站数量将大大超过 4G       频率越低,网络建设就越省钱,竞争起来就越有利。这就是为什么,这些年,电信、移动、联通为了低频段而争得头破血流。有的频段甚至被称为——黄金频段。     20189月,三大运营商就已经确定了分别获取的5G频段:       中国移动所获取的2.6GHz频率较低,覆盖范围比其他运营商更广。由于此前部署4G时用的也是2.6GHz频段,因此,中国移动的5G基站数可能与4G持平、甚至略增,竞争力进一步加强。     中国电信和联通获取的3.5GHz虽然技术上优势较弱,但从现阶段来看,是最主流的5G频段,在万博客户端官网下载上通用程度高,产业链也更加完善,有很大的规模和成本优势。     除了三大运营商获取的频谱,我国还拥有24.5-27.5GHz37.5-42.5GHz两个频段。同时,其他国家也获取了不同的5G频段。 35G基站     根据3GPP组织的规则,根据功率将无线基站分为4类,分别是宏基站、微基站、皮基站飞基站。宏基站功率最大,覆盖范围最大。飞基站功率最小,覆盖范围最小。     4种基站的区别如下表格所示:       微基站、皮基站和飞基站,通常合称为微小站。皮基站和飞基站,比微基站更小,通常合称为皮飞站 1、宏基站       经常在室外布设的,就是宏基站;如下图 2、微基站     经常摆放在室内或人口密集区域的,就是微基站;如下图   3、皮基站     Pico Site,简称皮站。皮基站是一种比微基站更小的基站,为了体现级别差距,所以用了Pico(微微)这个词。     每个设备厂家,都有自己的皮基站系列,有自己的命名方式。华为的Lampsite皮基站,像一个白色大方砖,如下图:       确切地说,白色盒子,是华为皮基站系统的一个部分,而非全部。扩展型皮基站,也叫分布式皮基站,通常由基带单元(BBU)、集线器单元(RHUB)、射频拉远单元(pRRU组成。     皮基站可以增强室内网络覆盖的质量。因而被广泛应用于住宅、商场、酒店和体育馆等场景,用以强化网络覆盖,提升用户体验。     5G时代由于频率更高的原因,5G的信号传输距离和穿透效果将明显弱于4G皮基站,以及飞基站,将会是增强网络覆盖的重要帮手,会越来越多地出现在我们身边。 4RRU与基站设备     BBUBuilding Baseband Unit 室内基带处理单元RRURemote Radio Unit 远端射频模块。 (一)RRU     远端射频模块RRU是无线基站中的核心子系统,主要完成基带到空口的发射信号处理、接收信号处理,即负责无线信号的收发功能,实现无线网络系统和移动台之间的通信。     RRU系统由收发信机(TRX)、功放、滤波器、天线、电源、结构六大硬件子系统组成,包含TRX、功放、射频算法、滤波器、天线五大专有关键技术方向。     外部接口有:电源输入端口、光纤输入/输出端口、天馈接口、电调和干接点接口等。各部分分别提供供电、收发信号处理、功率放大、发射和接收滤波等关键功能。 RRU主要功能包括:     1、通过天馈接收射频信号,将接收信号下变频至中频信号,并进行放大处理、模数转换、数字下变频、匹配滤波等处理后发送给BBU或宏基站进行处理。     2、接收上级设备(BBU或宏基站)送来的下行基带数据,并转发级联RRU的数据,将下行扩频信号进行成行滤波、数据转换、射频信号上变频至发射频端处理。     3、提供射频通道接收信号和发射信号复用功能,可使接收信号与发射信号共用一个天线通道,并对接收信号和发射信号提供滤波功能。       RRU在无线网络各子系统中有2项第一:主设备发货量占比第一(占比>70%);销售额占比第一(>45%)。因无线网络又是运营商网络中的销售额占比最高的部分,所以也可以说RRU在运营商网络各子系统中销售额占比第一。 (二)狭义的基站设备     狭义的基站设备包含三个部分:基带处理单元BBU、射频处理单元RRU、天馈系统。     基带处理单元主要完成信道编解码、基带信号的调制解调、协议处理等功能,同时需要提供与上层网元的接口功能,以及完成物理层核心技术的处理过程。     多数厂家的基带单元产品都是采用模块化的设计,把传输、电源、操作维护、时钟、散热等等功能都和基带处理功能整合在一起。     射频处理单元主要就是将接收自/发送往基带处理单元的数字/模拟信号进行D/AA/D、数字上/下变频、射频信号调制解调。     然后将这些要发送/接收到的射频模拟信号进行功率放大/低噪声放大,最终经由滤波器元件传送至天馈系统进行发射。     射频处理单元需要提供与基带处理单元和天馈系统的接口。     天馈系统主要就是馈线和天线,馈线常见的内芯材质有纯铜的,也有铜包铝。天线的种类就更多了,常见的板状定向天线等。     天馈系统的目的是将接收至射频单元的无线信号集中起来,然后辐射出去,也能将手机发送过来的信号集中起来传送给射频单元处理。其他的包括耦合器、功分器等无源器件也是天馈系统。 5MIMO技术     MIMO 「多进多出」Multiple-Input Multiple-Output),多根天线发送,多根天线接收。     LTE时代(3.9G)就已经有 MIMO 了,但是天线数量并不算多,只能是初级版的 MIMO5G 时代加强版的 Massive MIMO       以前的基站,天线就那么几根:       5G 时代,天线数量是按「阵」来计算了,即「天线阵列」。       不过,天线之间的距离也不能太近。因为天线特性要求,多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上。如果距离近了,就会互相干扰,影响信号的收发 。     根据基站和手机的天线数的不同,可分为SISOSIMOMISOMIMO四种类型。它们的英文含义如下:         1SISO单输入单输出 ( Single Input Single Output )         2SIMO单输入多输出 ( Single Input Multiple Output )         3MISO多输入单输出 ( Multiple Input Single Output )4MIMO:多输入多输出 ( Multiple Input Multiple Output )       SIMO:从基站发出的消息有两条路能到达手机,只是这两条路都来自基站的同一跟天线,只能发送相同的数据。     这样一来,每条路上发送的数据,丢一些也没关系,手机只要能从任意一条路径上收到一份就够了,虽然最大容量还是一条路没有变,成功收到数据的概率却提高了一倍。这种方式也叫做接收分集。(相对应发射分集)       MIMO系统一般写作AxB MIMOA表示基站的天线数,B表示手机的天线数。     4x4 MIMO可以同时发送和接收4路数据,其最大容量可以达到SISO系统的4倍,而4x2 MIMO因为接收天线只有两根,只能同时接收2路数据,其最大容量只能达到SISO系统的2倍。     这种利用多天线,复用空间中不同的传输路径并行发送多份不同数据来提升容量的方法就叫空分复用 6D2D技术     D2DDevice-to-Device,也称之为终端直通     D2D通信技术是指两个对等的用户节点之间直接进行通信的一种通信方式。在由D2D通信用户组成的分散式网路中,每个用户节点都能发送和接收信号,并具有自动路由(转发消息)的功能。     网路的参与者共用它们所拥有的一部分硬体资源,包括信息处理、存储以及网路连接能力等。这些共用资源向网路提供服务和资源,能被其它用户直接访问而不需要经过中间实体。   (一)D2D通信分类     按照蜂窝网络覆盖范围区分,可以把D2D通信分成3种场景:        1、蜂窝网络覆盖下的D2D通信,LTE基站首先需要发现D2D通信设备,建立逻辑连接,然后控制D2D设备的资源分配,进行资源调度和干扰管理,用户可以获得高质量的通信。        2、部分蜂窝网络覆盖下的D2D通信,基站只需引导设备双方建立连接,而不再进行资源调度,其网络复杂度比第一类D2D通信有大幅降低。        3、完全没有蜂窝网络覆盖下的D2D通信,用户设备直接进行D2D通信,该场景对应于蜂窝网络瘫痪的时候,用户可以经过多跳,相互通信或者接入网络。   (二)D2D通信主要应用场景 1、本地业务     社交应用D2D通信技术最基本的应用场景就是基于邻近特性的社交应用。通过D2D通信功能,可以进行如内容分享、互动游戏等邻近用户之间数据的传输,用户通过D2D的发现功能寻找邻近区域的感兴趣用户。     本地数据传输利用D2D的邻近特性及数据直通特性实现本地数据传输,在节省频谱资源的同时扩展移动通信应用场景。     如基于邻近特性的本地广告服务可向用户推送商品打折促销、影院新片预告等信息,通过精确定位目标用户使得效益最大化。     蜂窝网络流量卸载随着高清视频等大流量特性的多媒体业务日益增长,给网络的核心层和频谱资源带来巨大挑战。     利用D2D通信的本地特性开展的本地多媒体业务,可以大大节省网络核心层及频谱的资源。     例如,运营商或内容提供商可以在热点区域设置服务器,将当前热门的媒体业务存储在服务器中,服务器以D2D模式向有业务需求的用户提供业务;     用户也可从邻近的已获得该媒体业务的用户终端处获得所需的媒体内容,从而缓解蜂窝网络的下行传输压力。     另外,近距离用户之间的蜂窝通信可切换到D2D通信模式以实现对蜂窝网络流量的卸载。 2、应急通信     D2D通信可以解决极端自然灾害引起通信基础设施损坏导致通信中断而给救援带来障碍的问题。在D2D通信模式下,两个邻近的移动终端之间仍然能够建立无线通信,为灾难救援提供保障。     另外,在无线通信网络覆盖盲区,用户通过一跳或多跳D2D通信可以连接到无线网络覆盖区域内的用户终端,借助该用户终端连接到无线通信网络。 3、物联网增强     根据业界预测,在2020年时全球范围内将会存在大约500亿部蜂窝接入终端,而其中大部分将是具有物联网特征的机器通信终端。     如果D2D通信技术与物联网结合,则有可能产生真正意义上的互联互通无线通信网络。     车联网中的V2VVehicle-to-Vehicle)通信就是典型的物联网增强的D2D通信应用场景。基于终端直通的D2D由于在通信时延、邻近发现等方面的特性,使得其应用于车联网车辆安全领域具有先天优势。 七、总结     1、虽然无线电波在频谱划分上是有极限的。移动通信技术的演进是一个长期的趋势,在我们可预期的投资生涯是有着长期的投资机会的。这仍将是未来20年通信基础设施建设与技术发展的好时机。这个产业链值得我们投入时间和精力去研究积累。从过往历史看,最好的科技投资机会也诞生在这个产业链里。     2、在5G基础通信设备制造中,远端射频单元RRU是皇冠上的明珠,实现了无线信号的收发功能,其核心零部件厂商是我们在一二级市场上关注的重点。     35GD2D通信技术应用场景十分广阔,有可能颠覆当前的一些应用以及人们的生活交流方式。 4、由于5G使用更高频段的无线电波,其波长更短,传输距离更短,因而相比4G5G需要建设更多的基站;由于采用Massive MIMO技术,5G对于天线的需求也是放大的。特别的是5G手机内天线数量也大幅增加。