【導讀】隨著科學技術不斷發(fā)展，5G的研發(fā)投入越來越大，各個國家都在加緊對5G的部署與研發(fā)，5G的發(fā)展關乎國家的經濟發(fā)展是十分重要的研究方向。對于2018年的5G網(wǎng)絡來說，最重要的五大無線技術中的兩個——MIMO和波束成形——對5G網(wǎng)絡一直都非常重要。
MIMO和波束成形
對于LTE/4G，業(yè)界正接近于時間和頻率利用的理論極限。5G無線技術的下一步是利用空間維度，通過向不同方向發(fā)射嚴格聚焦的信號，盡可能頻繁地同時使用任何給定頻率。業(yè)界在將這兩項技術用于5G時，尚需克服挑戰(zhàn)。2017年，這兩個主題一直在進步和變化，2018年在這兩方面可能會看到更多。
圖1：5G將依靠天線陣列來提供大量輸入和大量輸出（或稱MIMO）。波束成形將信號引導到特定設備。（來源：T-Mobile）
MIMO描述了在發(fā)送端和接收端將越來越多的天線聚合進越來越密集的陣列，以創(chuàng)建更多的數(shù)據(jù)流層。同時，波束成形和與波束跟蹤緊密相關的技術是將每個信號引導到接收器的最佳路徑上，同時避免信號干擾。波束成形將使MIMO效率更高。
要應用于5G網(wǎng)絡系統(tǒng)，這兩種技術都需要做進一步改進。
物理上縮小天線尺寸仍困難重重；面向5G的MIMO陣列非常大（這是2020年之前，也許更晚，實際的5G智能手機都不太可能問世的原因之一）。大多數(shù)現(xiàn)存的陣列功耗仍太高，以致不完全實用。
圖2：信號必須沿著高度和方位角兩個維度去引導，使波束成形的任務復雜化。（來源：Qorvo）
波束成形的本質正如其名，但該術語并沒有蘊含涉及的復雜性。在4G中，發(fā)射器對接收器進行三角定位。在5G中也是如此，但在5G中，發(fā)射器也將能映射物理環(huán)境，然后不僅計算多徑反彈，而且計算如何錯開信號流，而以不干擾同步信號的方式來利用多路徑。當發(fā)射器和接收器中的任一個或兩個都在移動時，任務變得更困難。
所有這些又都因5G無線的下一個重要方面中的額外固有技術挑戰(zhàn)而更加棘手。
毫米波（mmWave）
最初為5G分配的頻率在6GHz已擁擠不堪。世界各地不同司法管轄區(qū)最近分配給5G服務的頻譜大多分布于各毫米波頻率。
毫米波范圍是從30GHz到300GHz。世界范圍內新的5G頻譜分配，范圍從20大幾GHz（例如26GHz和28GHz，它們技術上不是毫米波，但通常被歸入該類），到30~40GHz內的幾個頻段和40~50GHz內的幾個頻段。有一個60GHz的Wi-Fi頻段可用于5G無線。其它更高的頻率正在考慮中。
圖3：毫米波范圍（30GHz至300GHz）附近和以內的頻譜特別適合于更高的數(shù)據(jù)速率，盡管有缺陷，但卻有吸引力。（來源：愛立信）
一方面，這些較高頻率的信號將支持5G規(guī)定的高得多的數(shù)據(jù)速率。為提高其迄今為止已設法實現(xiàn)的頻譜效率，業(yè)界仍然有工作要做。
另一方面，毫米波信號的傳輸速率明顯低于期望。毫米波信號及6GHz以下信號不能傳得很遠，也不能穿透障礙物。
一般來說，5G的許多元器件仍然昂貴，在毫米波頻譜尤其如此。隨著規(guī)模經濟拉動并基于未來可能的創(chuàng)新，進一步的集成將使成本肯定下降。
在以前的無線網(wǎng)絡演進中，基本的目標任務是把數(shù)據(jù)送到手機。沒錯，這是從簡單的電話開始，并發(fā)展到增加寬帶接入；沒錯，其它類型的設備是由4G/LTE網(wǎng)絡支持的，但絕大多數(shù)的無線網(wǎng)絡使用是向手機收發(fā)數(shù)據(jù)。這將隨著5G而改變。5G將成為許多物聯(lián)網(wǎng)應用的使能技術，但同樣重要的是，這些物聯(lián)網(wǎng)應用將有助于證明5G演進的正確性。包括物聯(lián)網(wǎng)在內的用例實際上內置于5G技術路線圖中，這是5G市場發(fā)展的內在。
雖然許多物聯(lián)網(wǎng)設備將直接連接到5G，但其它的不會。許多物聯(lián)網(wǎng)應用將依賴大量簡單、便宜的傳感器或其它相對簡單的設備。這些設備可能要求低功耗或超低功耗；它們可能要求也可能不要求低延遲；它們可能需要也可能不需要彼此通信；它們產生（也可能收到）的數(shù)據(jù)量可能會因設備的不同而差異巨大；它們可能需要進行實時不間斷的輪詢，也可能一天、一周、甚至一月才輪詢一次。在許多這些應用中，5G連接不僅是技術上的過度浪費，而且還太昂貴，以致于它們中有許多在經濟上不可行。
這就是為什么下一個主題也對5G市場非常有用。
低功耗廣域網(wǎng)（LP-WAN）
在許多物聯(lián)網(wǎng)應用中，大批設備將通過專門為LP-WAN設計的一些無線技術連接到基站，基站又將連接到高速高帶寬的網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡可能是5G，但不一定；4G連接有時就足夠了——3G有時候就可以。附近有有線接入也可以，它也許同樣有用（如果不是更理想的話）；只是在很多地方，附近沒有有線網(wǎng)絡，這就有利于5G網(wǎng)絡連接被采用了。
目前有幾種LP-WAN選擇。它們包括LoRaWAN、Sigfox、Weightless、NB-IoT、LTE M、Ingenu和Symphony link。下一個版本的Wi-Fi 802.11ax在規(guī)范中有低功耗選項，它也可能加入其中。
一些LP-WAN技術是專有技術，另一些則是更具包容性的開發(fā)過程的結果。它們的開放程度不同。現(xiàn)在判斷哪一個會變得流行還為時過早，但可以肯定的是：長期來看，LP-WAN的無線選擇比市場可能容納的要多。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡
在一些物聯(lián)網(wǎng)應用中，使用無線傳輸技術不僅適用于連接大量簡單便宜的設備，而且還適用于其彼此互連。這就是網(wǎng)狀網(wǎng)絡的天下。一些LP-WAN技術一開始并沒有對網(wǎng)狀網(wǎng)絡提供支持，但現(xiàn)在幾乎所有的技術都提供了支持。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡并不是LP-WAN獨有。它已經被納入無線局域網(wǎng)技術。Zigbee和Thread是一開始就支持網(wǎng)狀網(wǎng)技術的，藍牙已經增加了它，下一個版本的Wi-Fi也將擁有它。Wi-Fi的這個下一版本叫做802.11ax，也叫做Max（看看“11ax”——把第一個1反過來，它就面朝另一個1，合在一起就是一個“M”）。
無線網(wǎng)狀網(wǎng)在5G中當然可以有用。在所有連接設備都是靜止的局域網(wǎng)中，網(wǎng)狀網(wǎng)尚不能非常容易地做好；考慮到移動設備（行走的人、無人機、汽車），則難度加劇。業(yè)界正在開始使5G支持網(wǎng)狀網(wǎng)的工作。
圖4：網(wǎng)狀網(wǎng)絡將有助于設備互連。一種可能的用途是車對車（V2V）通信。（來源：密歇根理工大學）
本文轉載自EDN電子技術設計。
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