走進通信：5G高頻率的「蝴蝶效應」

「蝴蝶效應」，想必很多人都聽說過——在一個動力系統中，初始條件下微小的變化能帶動整個系統的長期的巨大的連鎖反應。這是一種混沌現象。任何事物發展均存在定數與變數，事物在發展過程中其發展軌跡有規律可循，同時也存在不可測的「變數」，往往還會適得其反，一個微小的變化能影響事物的發展，說明事物的發展具有複雜性。

用蝴蝶效應來比喻5G頻率的變化對整個通信生態造成的影響可能不太準確，但頻率的變化的確對通信生態造成了不小的影響，這也符合蝴蝶效應中的「一個微小的變化能影響事物的發展」，不精確，卻較為符合。

5G相對4G而言，高頻率的使用，是其一大特點，這個特點也影響了通信生態中的其他組成部分，包括基站、終端、MIMO等。我們先來聊一下5G的頻率。

頻率

現在的移動通信技術已經邁入了5G時代，這一切的基礎都源自於一個公式—波長與頻率的公式（此處特指電磁波）

式中c為光速,λ是波長，v是電磁波的頻率。目前三大運營商所持有的4G頻率我們也都知道了，如下圖：

拿中國移動來看的話，從GSM時代的900Mhz開始到現在LTE時代的2.6Ghz，頻率的變化不可謂不大，而頻率變高所帶來的優勢也是顯而易見的，更高的接入用戶數、更快的網路速度及更低的時延，而這也恰恰的高頻率的特點——頻率越高，帶寬越寬，速度更快，當然這個也不難理解。

舉個例子，1Mhz—2Mhz帶寬只有1M，但是1Ghz—2Ghz，其帶寬就是1000M，我們還是用高速路來打比方吧，帶寬越寬，高速路車行道就越多，四車道變為八車道甚至更多，同一時間內通過的車輛就更多，意味著網速就越快。

去年12月，我國三大移動運營商已經獲得全國範圍5G中低頻段試驗頻率使用許可。

其中，中國電信獲得3400MHz-3500MHz共100MHz帶寬的5G試驗頻率資源；中國移動獲得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz頻段的5G試驗頻率資源，其中2515-2575MHz、2635-2675MHz和4800-4900MHz頻段為新增頻段，2575-2635MHz頻段為重耕中國移動現有的TD-LTE（4G）頻段；中國聯通獲得3500MHz-3600MHz共100MHz帶寬的5G試驗頻率資源。

上述頻段中，中頻頻段有3.4-3.6GHz、4.8-5GHz兩個頻段，剩下的就是低頻頻段。

頻率的變化引起的第一個通信生態中的「蝴蝶效應」就是5G的基站了，其附帶的也改變了5G的網路覆蓋模式。

開頭的公式很明確的指出，波長=光速/頻率，也就是頻率的變高直接導致波長的變短，這就是5G中所說的毫米波。

我們可以拿國際上主要使用28GHz來舉個例子：

Hz是頻率的單位。頻率是指電脈衝，交流電波形，電磁波，聲波和機械的振動周期循環時，1秒鐘重複的次數。1Hz代表每秒鐘周期震動1次，60Hz代表每秒周期震動60次。Hz是個很小的單位，通常在其前面加上K（千），M（百萬），G（十億），T（萬億）等數量級單位。

電磁波的特點是頻率越高（波長越短），就越趨近於直線傳播，這也意味著其衍射能力（指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象）就越差；5G高頻率的電磁波其傳播途徑的路徑損耗也要遠大於4G，這就意味著要達到相同的信號覆蓋效果，5G基站的部署量要遠多於4G，對運營商而言，又意味著要花錢了。

基於5G的特點，4G時代的宏基站範圍性覆蓋已經變得不好使了，之前4G一個宏基站可以覆蓋100米（僅做參考說明，非實際值），到5G這裡也許只能覆蓋30M，5G更快的速率、更寬的帶寬及更低的時延的「代價」就是運營商需要投入更多的錢來部署更多的基站。

波長越短，天線越短

從大哥大時代的外置式手機天線到現在的內置天線，手機天線的進化史恰恰也反應了移動通信的進化歷程，而這兩者的關係，源於天線與波長的關係。

天線長度與頻率成反比，與波長成正比，頻率越高，波長越短，天線也就可以做得越短。

一段金屬導線中的交變電流能夠向空間發射交替變化的感應電場和感應磁場，這就是無線電信號的發射。相反，空間中交變的電磁場在遇到金屬導線時又可以感應出交變的電流，這對應了無線信號的接收。

在電台進行發射和接收時都希望導線中的交變電流能夠有效的轉換成為空間中的電磁波，或空間中的電磁波能夠最有效的轉換成導線中的交變電流。這就對用於發射和接收的導線有獲取最佳轉換效率的要求，滿足這樣要求的用與發射和接收無線電磁波信號的導線稱為天線。

理論和實踐證明，當天線的長度為無線電信號波長的1/4時，天線的發射和接收轉換效率最高。因此，天線的長度將根據所發射和接收信號的頻率即波長來決定。只要知道對應發射和接收的中心頻率就可以用下面的公式算出對應的無線電信號的波長，再將算出的波長除以4就是對應的最佳天線長度。

天線的變短，這就意味著終端製造商可以在小小的機身內在多做幾根天線，從而加強信號，這就是現在終端廠商都喜歡提的MIMO。

有關MIMO，IT之家筆者在之前的《頻段和信號那些事：淺談LTE的MIMO多天線技術》做過詳細介紹，有興趣的可以看一下。在此，我們來說一下5G的MIMO技術。

Massive MIMO

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，它與傳統的信號處理方式的不同之處在於其同時從時間和空間兩個方面研究信號的處理問題，從而能夠在不增加帶寬與發射功率的前提下，提高系統的數據速率、減少誤比特率、改善無線信號的傳送質量。

Massive MIMO我們可以將其理解為MIMO的進化版，LTE時代的MIMO多為2通道、4通道及8通道，而Massive MIMO的通道數則可達到64/128/256,幾乎是指數增長了。

LTE時代的MIMO模式，在做信號覆蓋時實際上只做到了水平覆蓋，而Massive MIMO在其信號水平維度空間基礎上引入垂直維度的空域進行利用，信號的輻射狀是個電磁波束。所以Massive MIMO也稱為3D-MIMO。

現有資料顯示，Massive MIMO的優勢具體有以下幾點：

高復用增益和分集增益：大規模MIMO系統的空間解析度與現有MIMO系統相比顯著提高，它能深度挖掘空間維度資源，使得基站覆蓋範圍內的多個用戶在同一時頻資源上利用大規模MIMO提供的空間自由度與基站同時進行通信，提升頻譜資源在多個用戶之間的復用能力，從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率。

高能量效率：大規模MIMO系統可形成更窄的波束，集中輻射於更小的空間區域內，從而使基站與UE之間的射頻傳輸鏈路上的能量效率更高，減少基站發射功率損耗，是構建未來高能效綠色寬頻無線通信系統的重要技術。

高空間解析度：大規模MIMO系統具有更好的魯棒性能。由於天線數目遠大於UE數目，系統具有很高的空間自由度，系統具有很強的抗干擾能力。當基站天線數目趨於無窮時，加性高斯白雜訊和瑞利衰落等負面影響全都可以忽略不計。

儘管Massive MIMO的優勢很明顯，但現階段該技術還存在一些問題亟待解決，比如：如何安排天線？如何建模3D頻道？如何將其應用於FDD操作？如何從大陣列生成寬光束？如何校準天線系統？如何處理調度和預編碼的複雜性等。

事實上，Massive MIMO對於5G的意義，也可以看成是對頻率資源的妥協。

我們知道如果運營商使用低頻頻段或者中頻頻段，那就可以實現天線的全向收發，至少也可以在一個很寬的扇面上收發。中低頻段也就是現在LTE所使用的頻段，但是根據工信部給三大運營商分配的5G試驗頻段來看，很明顯，中低頻的的資源是不夠用的，高頻的劣勢在於路徑損耗大，再加上國家對發射功率是有規定的，這樣一來，就只能在天線上下功夫了。因為毫米波的出現，天線的尺寸進一步縮小，既然不能增加功率，那就增加天線數量吧，這就是多天線陣列。

根據3GPPR1-136362的說法，在高頻場景下，5G信號穿過建築物的穿透損耗也會大大增加。這些因素都會增加信號覆蓋的難度。特別是對於室內覆蓋來說，用室外宏站覆蓋室內用戶變得越來越不可行。

但是使用Massive MIMO（即多天線陣列），可生成高增益、可調節的賦形波束，從而明顯改善信號覆蓋，由於其波束非常窄，也可以大大減少對周邊的干擾。

不過多天線陣列也是把雙刃劍。多天線陣列的大部分發射能量聚集在一個非常窄的區域。這意味著，使用的天線越多，波束寬度越窄。

多天線陣列的優點是，不同的波束之間，不同的用戶之間的干擾比較少，因為不同的波束都有各自的聚焦區域，這些區域都非常小，彼此之間不大有交集。

多天線陣列的缺點則在於系統必須用非常複雜的演算法來找到用戶的準確位置，否則就不能精準地將波束對準這個用戶。因此，波束管理和波束控制（波束賦形）對Massive MIMO的重要性就不言而喻了。

總結：

實際上5G是很複雜的，單一頻率變化引起的「蝴蝶效應」已經多到「罄竹難書」，比如多天線是如何保證信號不被干擾、波束賦形的作用等，如果有興趣的話我們可以下篇文章中一起探討一下。

5G作為新技術，其前景無疑的光明的，正如「蝴蝶效應」說的那樣，5G的出現，帶動了整個系統的長期的巨大的連鎖反應，比如車聯網、人工智慧、智慧城市等待。

既然如此，那就讓5G的蝴蝶翅膀可勁撲棱吧，這個效果，我們能承受得住。

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