5G時代的射頻技術發展趨勢

無線專家們表示，到2020年5G蜂窩網絡有望產生兩種新的空中接口和基于最新大規模MIMO技術的新天線設計。與此同時，LTE將突破Gbit/s瓶頸。“我們應該為毫米波頻段開發一種新的空中接口。當然，用于訪問物聯網的另外一種空中接口應該也會有一些機會。”Intel公司首席無線技術專家Kenneth Stewart在由WiFi專業公司Quantenna舉辦的大會演講中指出。

Stewart建議，在種類廣泛的物聯網領域，一些設備可以從量身定制的空中接口中受益，比如那些“在發送之前不必同步的設備……我們希望看到針對特殊用例的創新。“Steward 認為，LTE和WiFi在5G發明之后仍會繼續存在很長一段時間。他介紹了一種2020年的無線芯片概念(如圖1)：使用全套3G、4G和5G接口，除了 802.11ax WiFi和藍牙5.0外，還支持多達60個LTE頻段。“我們認為推出這種器件原則上沒有什么困難。”

圖1：2020年代的無線芯片概念圖。

他鼓勵大家發明適合使用這種芯片組的殺手級手機：

我們尚欠缺的是5G網絡下的設備或用戶體驗，就像iPhone對3G或4G網絡的推動作用——它要求部署這些網絡。我們還沒有見到能夠充分發揮未來5G網絡優勢的設備。我們認為尋找和提供這種設備是一個很好的機會。專家們普遍同意5G的先進性將主要取決于毫米波頻率和大規模MIMO天線的使用。“5G的大多數利益和優勢都依賴于大約28GHz至90GHz范圍內的毫米波的使用。”Stewart指出。

Intel公司已經朝這個方向邁進，目前正在推一款名為Maple Peak的60GHz WiGig產品。該產品主要用于無線筆記本電腦擴展塢，使用了一個2×8 倒裝芯片綁定的天線陣列。“挑戰主要在于功效，在這個領域有許多基礎性工作要做。”ITU為5G網絡規定了一系列目標(見表1)，包括針對某些服務超過10Gbit/s的數據速率。“我們相信毫米波頻段的WiFi和LTE能達到這個目標。”

表1：ITU的5G網絡規定。

Stewart預測到這個十年末LTE將能達到Gbit/s的數據速率。“如果幸運的話，”手機也將能使用諸如大規模MIMO等技術在相同頻段中收發數據。大規模MIMO之父、貝爾實驗室的Thomas Marzetta介紹了對這種技術的研究進展。有次實驗成功地使用675副天線給10個用戶每人提供Gbit/s的速率。另外一次實驗給同一蜂窩中的每個 用戶提供了5Gbit/s的速率，即使位于蜂窩邊緣的用戶也能達到這個速率。

“還沒聽說過使用相對較小的頻譜。”Marzetta表示，“10倍的改進很難達到，而大規模MIMO能夠輕松實現超過10倍的改進，并且不需要復雜的信號解碼。”大規模MIMO技術將淘汰今天的點到點MIMO系統，并且可能消除對小蜂窩基站的需求，Marzetta指出，“我相信LTE和WiFi如果不轉變到大規模MIMO的話有可能提前退出歷史舞臺。”

Stewart認為搭建這種天線陣列、并能以較低成本達到一致性能仍面臨許多艱巨的挑戰。“在這個技術領域中，信息理論和實現團隊之間仍缺乏基本有效的溝通。”他提醒道。即使是Marzetta也表示，大規模MIMO在他的母公司阿爾卡特－朗訊也仍然只是一個研究課題。小蜂窩基站仍是阿朗公司發展戰略的基礎。今天的802.11ac在下行鏈路信道上支持多用戶MIMO，但Quantenna等公司需要推動對諸如體育館等用例中上行鏈路的支持，被稱為MIMO之父斯坦福大學教授Arogyasawami Paulraj表示。

新興大規模MIMO技術是毫米波傳輸中波束成型技術的關鍵。毫米波可以穿過植物等可能使信號衰減達8至10dB的障礙物，Paulraj指出。他已經與美國監管部門就支持毫米波波束成形技術所需的規程修改進行了磋商。在5G網絡中，數據可能在寬帶毫米波信道上傳輸，控制信號則走較慢的3G路由，他補充道。“不管會遇到什么問題，毫米波頻率肯定會得到應用，雖然有時可能獲得大吞吐量后又失去大吞吐量。”Intel公司的Stewart和Paulraj一致認為，5G將包含許多種技術，包括大規模MIMO LTE、多種WiFi甚至藍牙。

“1G、2G、3G和4G的推動力來自頻譜效率和吞吐量的增長，但5G更加關注多種頻譜和技術的整合，以便給用戶一個統一的網絡界面。”Stewart表示，“在網絡上層，將所有這些集成到單個流程中還面臨諸多艱巨的挑戰。”

圖2：隨著新的5G網絡的興起，老的空中接口將繼續使用，Intel公司的Stewart表示。