告别手机「转菊花」,我们要靠 5G 毫米波

告别手机「转菊花」,我们要靠 5G 毫米波

前端技术

03-29 16:43

文:爱范儿

据不完全统计,但看起来很有公信力的一个调查结果,人们在手机上最怕看到的三样东西分别是:多年未联系的微信好友发来的「在吗?」,使用年限超过两年的手机显示「电池电量低,请充电」和网络不好的时候屏幕上转动的「菊花」。


这个时候,经历了战争、死亡以及爱情洗礼,进化了数百万年的人类已经学会拉黑微信好友,使用移动电源,但是面对网络问题时,他们即便变换各种姿势,把手机亲亲抱抱举高高也还是不能改变信号问题

这是属于全球 50 多亿手机用户共同的无能为力。这种无能为力大多数情况是离散状态的,此刻他无能,他地你无力,只有一种时候,这种无能为力有着明显的集群状态:那就是大家一起看演唱会的时候。比如某年某月蔡徐坤在鸟巢开演唱会,会场里肯定满座,至少 9 万人,场外至少还得聚集买不到票的另外 9 万人,这 18 万人在准备发朋友圈的时候,就会发现手机转菊花,天涯共此时。

手机为什么会转「菊花」?

大多数时候,4G 网络能够满足用户的需求,聊微信刷抖音甚至看个 1080P 高清流媒体电影也不在话下。

负责给手机传数据信号的基站,自身有覆盖的范围,以及承载的数据传输能力。一旦基站覆盖范围内用户急剧增多,大家一起发消息,尤其是在演唱会里面,发的大多还是视频消息,这就会大大超过基站的数据传输能力。

类似的情况就像春节或者国庆假期里,大量车辆在高速公路上出现的几公里的拥堵。平时,高速公路就是高速公路,因为路上的车不太多,在通行能力之内。而到了节日出行高峰期,路上的车就大大超过了高速公路的通行能力,于是高速公路就变成了带状停车场。

这里可以做个比方,高速公路就是基站,车辆就是数据,需要传输的数据太多,基站就忙不过来堵住了。

在电影《那些年,我们一起追过的女孩》里面,台湾新竹发生地震,震后大家都一起打电话,结果都打不出去,当然也接不到电话。于是男主柯景腾的宅男室友一语道出其中的道理:

这里人太多,基地台(基站)超载,人少的地方搞不好才会通耶。

当然,通过多建基站,提高单个基站的承载能力等等方式,可以一定程度上解决人口密集场所的网络问题。不过目前的 4G 网络依然是存在上限的,虽然 LTE 有载波聚合这样的技术,但是有些时候也会黯然销魂,载不动许多愁。基站的数据传输承载能力受制于代际技术的天花板,无法很好地解决掉演唱会这种特殊情况下的网络拥堵问题,爱的魔力依旧会转圈圈。

5G 毫米波,有望成为「菊花杀手」

4G 网络做不了的事情,就留给 5G 来做。

有心的话,就会发现,从 2G 网络(GSM、CDMA)到 4G 网络(LTE),大的趋势是,频段频率越来越高。以移动 2G GSM 网络为例,其频率集中在 900MHz 左右,而到了移动 4G 网络,频率又集中在了 2500MHz 左右。

当然这个小秘密大多数人不会注意到,但是大家肯定会注意到,曾经好几万一部的大哥大天线能有十厘米长,然后到了翻盖手机时代,天线就剩拇指头那么长了。现在的小朋友估计都不知道手机天线长啥样了,因为全部都集成在机身内部了。

然后,根据著名的公式,光速 = 波长 × 频率。频率越高,波长也就越短。

手机天线越来越短,一方面由于技术和工艺的进步,另一方面是由于波长越短,接收信号的天线也可以不用那么长。

正如 Wi-Fi 分为 2.4GHz 和 5GHz,以及还没有普及的 60GHz 一样,2.4GHz 非常能穿墙,我住 3 楼,把家里的 2.4GHz Wi-Fi 名字设成「804 室小姐姐加我微信 uncle-lau」,结果加到了 10 楼穿 Hollister 的小哥哥。

而 5GHz 的 Wi-Fi 信号穿一堵墙就不行了,但是厉害之处在于速度快,不拥堵。至于 60GHz 的 Wi-Fi 的穿墙能力几乎可以忽略,但真的是网速如刀,快如闪电侠。

和 Wi-Fi 有些类似的是,想要获得更快的速度和更高的带宽,那就把频率提上去,也就是我们常说的「只要网络频率足够快,那么菊花就追不上我」。

因而,相较于 4G 网络的频率,5G 网络的频率再一次提高,频段基本上分为 6GHz 以下频段(Sub 6GHz)和毫米波两类。

依据上表,波长在 1 到 10 毫米之间的电磁波,通常对应于 30GHz 至 300GHz 之间的无线电频谱,也就是广义上的毫米波。不过这个定义也不是那么严格,24.25GHz 电磁波的波长是 12.37 毫米,也可以叫它毫米波,虽然它比较像毫米波里面的姚明。

负责制定 5G 网络标准的 3GPP 组织之前开会规定,5G NR 主要使用两段频率:FR1 频段和 FR2 频段。FR1 频段的频率范围是 450MHz——6GHz,又叫 sub 6GHz 频段;FR2 频段的频率范围是 24.25GHz——52.6GHz,也就是 5G 领域里面的毫米波(mmWave)。

4G 网络通过可以使用的最大带宽是 100MHz,数据速率不超过 1Gbps(通过更高载波聚合,MIMO 技术还能再快一些)。在 28GHz 频段毫米波的可用频谱带宽可达 1GHz,数据速率高达 10Gbps,其他频段上的毫米波还可以更快。并且,相较于 4G 网络理论上 10ms 的延迟,5G 网络的延迟可以在 1ms 之内。

综上,相比于 4G 网络,5G 毫米波就是咏春叶问,一个打十个。

之前 4G 网络就像高速公路,可以通过多修车道(载波聚合)或者修多层车道(MIMO,多入多出)来提高通行能力。但是车道不可能无限加,所以决定了 4G 网络的局限性。

5G 毫米波相比于 4G 网络的带宽拓展,就像开放了空域,理论通行空间是十倍二十倍级别的增加。

也是正是由于毫米波的这些特点,使得工作在毫米波上的 5G 网络可以做很多 4G 网络做不了的事情,比如虚拟现实、增强现实、无线基站回程(backhaul)、短距离雷达探测、密集城区信息服务、体育场 / 音乐会 / 购物中心无线通信服务、工厂自动化控制、远程医疗、安全监控、智能交通系统、机场安全检查等等。

这就是为什么 5G 毫米波可以解决掉在演唱会等巅峰时刻手机网络拥堵导致的转菊花问题的主要原因。

这么棒的技术,为什么之前没有用?

毫米波看起来可以秒天秒地秒 4G,但是这个技术其实算起来已经一百多岁了。在清朝光绪年间(1897 年),Jagadish Chandra Bose 这位物理学家就开始在实验室里研究毫米波了,这也是公认的毫米波技术的起源

▲ Jagadish Chandra Bose

虽然毫米波的研究开始得早,但是一直都在实验室里面呆着,真正的商用到上个世界末才到来,主要用途是 77 GHz 汽车防撞雷达。

问题来着,前面说毫米波在 5G 里面强无敌,为什么不用呢?

这个原因要从主观和客观两个原因来分析,人类主观层面,是因为之前没能攻破技术和成本两道难关。

客观层面,作用于移动通信的时候,毫米波也有天然的缺点。

这个缺点主要表现在信号衰减大,易受阻挡和覆盖范围小。

不光是建筑物会阻挡毫米波,包括氧气、和雨滴都是毫米波传播的敌人。比如 60GHz 必须承受约 20dB/km 的氧气吸收损耗,这意味着一公里外,60GHz 的信号衰减到只剩不到 1%。

在和氧气的争宠中,60GHz 毫米波败下阵来,而 28GHz、38GHz 与 73GHz 情况就好多了,这也正是目前一些运营商将 28GHz 定为主要测试对象的原因。不过它们将迎接下一轮的挑战:湿度。

在高温和高湿度环境下,其信号在 1 公里内可衰减一半(3dB/km)。

如果说这个衰减还可以接受的话,毫米波最怕的还是暴雨,在特大暴雨天气下(降雨强度为 50 毫米 / 小时),毫米波传播损耗可达到 18.4dB/km,也是一公里外剩不下啥信号了。

自然界给毫米波的磨难不小,接着,建筑物、甚至是人的身体,以及握持手机的手,都会不同程度地挡住毫米波信号。所以,在 5G 时代,对别人说「麻烦让一下,你挡住我的信号了」真不是开玩笑。

告别「菊花」倒计时

家里有大别墅的读者在家里可能有组装 Mesh 网状 Wi-Fi 网络的经验,因为 Wi-Fi 的覆盖范围有限,尤其是 5GHz Wi-Fi,一个路由器根本覆盖不了大别墅。所以 Mesh 网状网络就是在别墅里设置多个网络节点,每个节点覆盖家里的一部分,最终覆盖整个别墅。

解决毫米波先天缺陷的方法逻辑和上面说的 Mesh 网状网络有异曲同工之妙。

于是,进击的毫米波使出第一招:小基站。

在以往的认知当中,基站都是一座座高高的铁塔,一个铁塔覆盖半径几公里的地方,在 2G 网络时代,确实是这样的。这种大铁塔,或者建在楼顶的小铁塔,叫宏基站。

到了 5G 时代,因为毫米波信号容易衰减和被阻挡的原因,基站的覆盖半径可能就剩几十米了,所以相比于 2G、3G 和 4G 时代,覆盖相同面积的基站数量就要多很多。同时,因为覆盖面积需求小了,5G 毫米波基站也不需要建那么高大威猛,小身材也能有大能量,这就是小基站。

在今年 MWC 的高通展台,他们就和爱立信合作,把 5G 小基站放进了室内,这个基站同时支持 Sub 6GHz 和毫米波。

接着就是第二招:Massive MIMO(大规模多入多出技术)。

前面讲 4G 的时候就已经提到了这个技术,4G 时代的 MIMO 技术主要是 2×2 MIMO 或者 4×4 MIMO,数字代表天线数量,意思就是多根天线同时发送(多出)和接收信号(多入)。

为什么 2G 时代没有这个技术呢?这个前面也说了,2G 时候信号波长太长,天线也需要很长,那么搞 MIMO 技术的话,手机天线就要很多根,于是手机就变成四脚兽或者八爪鱼。

后来天线不需要那么长,几毫米的长度完全可以集成在手机内部,还可以多做几根,于是才有 MIMO 的应用可能性。

到了 5G 时代,因为波长更短了,天线也可以做更小,完全可以做好多个,形成天线阵列,基站那边也是同理,于是这些天线宝宝们一起活动,即便人类看不到,但场面想象一下依旧非常壮观,这就是 Massive MIMO(大规模多入多出技术),它能有效的提高网络传输效率,补偿信号衰减。

然后就是第三招:波束赋型。

在以往,移动网络通过基站 360 度全向发射和接收信号,即便某一个方向没有人。

而在 5G 毫米波上使用的高增益天线同时具有较好的方向性,通过调整,能够把信号,也就是无线电波对准需要移动网络的手机。同时机变它也变,手机动了,无线电波也会换方向继续对准,信号被挡了还可以瞬间切换无线电波,这就是波束赋型和波束追踪。

波束赋型技术的优点在于提高了功率和效率,又扩大了覆盖范围,同时增强了安全性,降低了信号被截听的概率。

如果说之前的网络是对谁都一样的「中央空调」的话,那么毫米波这个波束赋型技术就是「专属暖男」。

前面说了三千多字都是虚的,技术再强不落地,对于用户来说是放屁。

2019 年作为公认的 5G 元年不是没有道理的,预计今年内,消费者就能买到首批 5G 手机了。

在此之前,5G 的参与者们就开始多年的实验和研发,2016 年,高通就发布了全球首款商用 5G 调制解调器——骁龙 X50 调制解调器,支持在 28GHz 频段毫米波频谱,下载速度最高可达 5Gbps。

到了手机制造商这边,光有个基带芯片还不够,还需要有天线模块。于是在 2018 年 7 月份,高通接着发布了全球首款面向移动终端的毫米波 5G 天线模块 QTM052,包含了从收发器到所有射频前端的器件,还有电源管理 IC 以及天线本身,覆盖第一批会投入商用的 5G 毫米波频谱。

毫米波 5G 天线模块 QTM052 和骁龙 X50 调制解调器天生一对,搭配起来用的话,能实现前面说的波束成形、波束追踪等技术,也克服了手掌挡住信号的问题。

到了今年 MWC 期间,5G 的进程进一步加快,小米、一加、OPPO、、中兴、索尼、LG、三星等等手机厂商都展出了旗下基于骁龙 855 和 X50 调制解调器的首款 5G 手机。

马上在 2 月份,高通又更新了产品:首先是 QTM525 5G 毫米波天线模组,通过降低模组高度可支持厚度不到 8 毫米的 5G 智能手机设计,并且还增加了更多的毫米波频段支持。

接着就是骁龙 X55 基带的发布,同样也是 2G、3G、4G 和 5G 都支持,在毫米波频段下可实现最高达 7Gbps 的下载速度。很明显,骁龙 X55 基带和 QTM525 5G 毫米波天线模组又是一对。

目前来看,首批推出 5G 手机的厂商几乎都是用了高通的方案。从另一个角度来看,从骁龙 X50 到 X55 两代 5G 调制解调器,高通也是市场上唯一一家能够面向智能手机提供商用毫米波解决方案的厂商。

可以这么说,从时间上来说,我们能体验到毫米波确实已经进入了倒计时。但是在空间上,毫米波离国人有点儿远,因为目前而言,我国部署 5G 网络还是集中在 Sub 6GHz 频段,北美则重点部署毫米波。

不过也不用太担心,至少工信部已经在上个月发话,发布了《2019 年全国无线电管理工作要点》。其中,特别提到要适时发布 5G 系统部分毫米波频段频率使用规划,引导 5G 系统毫米波产业发展。

既然工信部爸爸都说要发展毫米波,那毫米波离我们也就不太远了。


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