谈到5G,总离不开一个话题:毫米波。

但是5G为何需要支持毫米波通信?背后的实现原理是什么?


本文将从以下三方面来解析该问题:

1 5G的通信需求

2 香农定理

3 毫米波通信的优点


一 5G通信需求

网络的发展是由应用来驱动的,5G也不例外。那么什么是5G网络,5G网络的通信需求是什么?


3GPP对于5G网络的定义如下:

5G网络应该能够通过一张网络来满足各行各业的通信需求。和4G网络不同,5G网络不仅需要满足传统的移动通信需求(语音,数据业务),还需要能够满足其他行业的通信需求。

在5G网络中,通信的双方不仅仅包括人与人、人与物,还包括物与物(物与物之间的通信,也被称为物联网IoT)。


为了实现的便利,3GPP把5G网络承载应用分为三大类:eMBB(增强型移动宽带)URLLC(高要求、低时延机器类通信)和eMTC(海量机器类通信)。应用不同,通信需求不太,对网络的性能要求自然也不同。所以,5G网络的设计就需要满足这些应用的所有通信需求。

3GPP在TR38.913中定义了5G网络键性能指标,部分如下:

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上图中我们可以看到,5G网络需要满足的通信需求包括:速率、频谱利用率、时延、可靠性及移动性

速率需求:5G网络支持的最大速率要远远大于4G网络(4G目标峰值速率是下行1Gbps,LTE下行峰值速率300Mbps),而5G对于速率的要求是下行20Gbps,甚至更高。

时延需求:5G部分应用的通信时延需求比较高,比如URLLC应用,所以5G网络需要能够支持低时延的通信需要,5G网络通信时延要远远低于4G(4G网络中,用户面的时延要求是10ms)。

移动性需求:移动通信网络的基本指标之一,要求用户在不同的小区间移动时,通信无中断,从2G开始就通过切换功能来保证之一指标。

可靠性需求:该项指标衡量的是网络的可用能力,即用户在网络中的通信不能因为网络设备的故障而中断。和4G不同,5G的部分应用对于网络可靠性需求特别高,高达99.999%。


从技术实现的角度看,5G网络需要引入新的技术才能满足网络的KPI,从而满足各类应用的通信需求,毫米波是其中一项关键技术。

下面我们就重点分析一下通过毫米波通信能够满足网络的哪几项性能要求。



二 香农定理

看到标题,学通信的小伙伴心里肯定留下了大大的问号?

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5G虽然是新生事物,但是背后的理论没有突破,还是沿用了100年前就提出的无线通信三大定理之一:香农定律。

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在香农定理中,C(bit/s代表信息容量,即速率;

B:通信带宽。以LTE为了,小区带宽为20MHZ,即B=20MHZ

S/N:信噪比,代表接收的有用信号和噪声+干扰的比值;


从香农定理公式可以看到,提高信息速率有两个方法:增加带宽或者改善信噪比。


无线通信的物理介质、核心资源就是无线电磁波,无线电磁波是工作于不同的频段的

就目前无线电磁波的使用情况看,3GHZ以下的频段已经非常满了,很难找大量的空闲资源(LTE最大带宽20MHZ,5G要获得高速率,其系统带宽也应该远远大于20MHZ)

此外,无线通信系统还需要考虑的另一个因素是干扰。在低频段即使能够找到空闲的频谱资源,不同无线通信系统之间的干扰也较大。干扰大,S/N低,速率也会受影响。


所以,无论是从系统带宽的角度出发,还是从S/N的角度出发,5G需要使用高带宽且干净的频率资源——高频段(由于大部分无线通信系统使用3GHZ以下的频率资源,高频段使用较少,所以高频段有丰富的频率资源,且干扰少


3GPP对于5G频率资源划分为两个组FR1和FR2

FR1支持的频段范围为:450MHZ ~6GHZ,通常把它称为5G 中低频段;

FR2对应的频率范围:24.5GHZ ~52.6GHZ,通常也被称为5G高频段。

FR2频段划分,如表所示:

工作频段(FR2)

上行 (UL) 工作频段
   BS 接收 / UE 发射

下行(DL) 工作频段
   BS 发射 / UE 接收

双工

模式

FUL_low   –  FUL_high

FDL_low   –  FDL_high

n257

26500 MHz


29500 MHz

26500 MHz



29500 MHz

TDD

n258

24250 MHz

27500 MHz

24250 MHz

27500 MHz

TDD

n260

37000 MHz

40000 MHz

37000 MHz

40000 MHz

TDD

n261

27500 MHz

28350 MHz

27500 MHz

28350 MHz

TDD


从上表可看到,n257/258/260/261这几个频段频率资源非常丰富,可为5G系统提供高小区带宽(对应于香农公式中的B

n257可用的频率带宽最大支持3GHZ;n258最大支持3.25GHZ;n260最大支持3GHZ带宽;n261支持850MHZ的带宽

3GPP R15定义,FR2支持的最大小区带宽为400MHZ.很显然,n257/258/261/260很容易满足400MHZ的带宽需求。


400MHZ的小区带宽,和LTE的20MHZ小区带宽相比,带宽提升了20倍,根据香农定理分析,速率至少能提升20倍。


当然,n257/268/260/261这几个频段由于使用较少,频谱资源也比较“干净”,无线通信系统间的干扰少,S/N可获得保证。S/N高,对于速率也能相应的提高。


结论:高频通信可保证5G高速率的通信需求。



三 毫米波

n257/258/260/261和毫米波有什么关系,什么是毫米波?

无线电磁波在传播的过程中,有波长、速度和频率这几个特征。

其中速度=光速=3*10的8次方米/秒;波长=速度/频率。根据该公式,可以发现FR2频率组中对应的无线电磁波大部分的波长均小于1cm


毫米波:波长小于1cm的无线电磁波称为毫米波。但在实际应用没有那么严格,FR2频率组对应的某些无线电磁波波长虽然大于1cm,但也统一的把它们称为毫米波。

所以,毫米波通信就是选择高频段的无线电磁波进行通信(一般要求是频率在30GHZ以上的无线电磁波)。


再看5G网络KPI,对于URLLC应用而言,5G网络需要保证其时延要求。那么网络如何保证低时延需求?

从应用的角度看,时延需求是一个端到端的过程。即应用的使用应该包括从发送方发送IP包到接收方接收到IP包之间的整个时间。

从网络实现的角度看,网络需要分别从无线接入网和核心网两部分来保证IP在网络侧的时延。无线网络和核心网的这两部分传输时延,通常变化较大的是无线侧的传输时延,核心网的时延保证比较容易实现。所以网络的时延保障,讨论比较多的是线侧通信时延的保障。无线侧通信时延如何保证?无线侧的时延是由以下几项因素引起的:


1)IP包缓存时延:IP数据包到达基站后需要缓存,等待调度机会;当获得调度资源后,通过物理层来进行传输。如果调度不及时,则可能造成缓存时延较高。所以,对于这部分时延的降低,可通过设置调度策略及增加小区容量解决。小区容量增加意味着5G的基站要部署将会呈现密集化部署状态。


2)HARQ重传时延:当物理层无线环境恶化后,可能会进行重传,重传会引入重传时延。重传时延如何解决?NR重传机制支持异步HARQ,且支持快速HARQ,可降低重传时延;


3)物理层传输时延:物理层在传输一个IP包时,本身需要传输时间。对于这部分的传输时间是固定开销,无法消除。从技术上能提供的解决方案就是尽量减少物理层的传输时间。物理层传输时延如何降低?

NR的物理层使用了OFDM,所以,真正承载信息bit的是子载波(SCS)。子载波有不同的频率,频率高,传输时延少。所以减少物理层传输时延的解决方案为:增加子载波间隔。

LTE中子载波间隔=15KHZ,即传完该子载波需要的时间为66.7us;而NR FR2支持的子载波间隔包括:

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1FR2支持的SCS间隔为:60KHZ及120KHZ,和LTE对比,很明显NR可用支持更低时延的应用,满足低时延通信需求。

结论:毫米波通信可满足网络低时延通信需求。


此外,毫米波除了能够提高网络吞吐量、减少干扰和满足低时延通信需求外,外,毫米波也是5G 大规模MIMO能够得以应用的原因。


如何更好的挖掘毫米波通信优势,也是未来无线通信将要关注的重点。