【杂谈】重新认知5G:无线带宽、频段到底怎么回事儿?

第四代蜂窝网络技术在2008年被国际电信联盟(ITU)指定为支持最高1 Gb/s的下行速度。但是,在现实中由于系统性的多面原因,通常最多只达到几百兆比特,而平均只有几十兆比特。

如今,第五代蜂窝网络技术——5G来了。5G可使用6GHz以下的中低频段进行中长距离通信,短波频率则可使用24GHz以上的毫米波进而提供高带宽通信服务。根据5G的预期承诺,能实现支持高达10 Gb/s的高吞吐量通信以及低至1~4ms的延迟。

在吸收性方面,无线信号可能会被墙壁、树叶或空气等吸收。而光纤电缆中的光束可能会被光纤玻璃芯中的微小缺陷吸收,当携带信号的光子被这些环境中的障碍物吸收时,会出现信号变弱、不稳定的情况。

众所周知,信息传递都需要媒介,而数字信号也是一系列的信息符号,在选择信息传输渠道时便需要权衡取舍。模拟无线电是通过无线电波“空中”传输的,它可以在长距离的各个方向上承载简单的信号。互联网的骨干网在使用光纤电缆中以引导光波在远距离传输大量信息中,需要建造和安装大量的电缆,因此其主要存在昂贵的成本问题。

由于不同的通道可以承载不同频率的EM波,通道可以承载的频率范围称为其带宽。带宽的计算简单地是从最大值中减去通道可以承载的最小频率。范围从0到1,000 Hz的信道具有1,000 Hz的可用带宽,而范围从100,000到101,000 Hz的信道具有相同的带宽。带宽有助于确定一个信道可以发送多少信息,因此更多的带宽也就意味着更多的信息容量。

在给定固定数量的带宽和恒定信噪比的情况下,信道可以承载的信息吞吐量有理论上的限制。著名的香农-哈特利定理(通常称为香农极限)给出了其极限定式。C是信道支持的最大速度(信道容量);B是信道的带宽;S是平均信号功率;N是平均噪声功率;S/N即信噪比。

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无需彻底理解数学定理,这反映的也就是:更多的带宽意味着更多的容量,更好的信噪比也是如此。如果信道的带宽和信号功率是固定的,那么噪声越大意味着容量越小。香农定理使我们可以利用某种介质的物理特性,例如铜线或光纤,能快捷的计算出我们可能会挤出多少的容量,即使目前的手段还不能实现也能给出计算上的结果。

通常而言,信号传播的距离越长,信号功率因衰减而变得越弱。根据香农定理,这降低了SNR,并降低了信号可以携带的全部信息。因此,在不知道信号会走多远的情况下就不可能谈论信道的容量。

无线宽带解决了与有线和光纤等有线技术根本不同的问题。有线技术可将服务提供到固定地点,例如家庭或企业端。无线技术通过空中向移动设备提供数据服务,这是向大型公共区域提供灵活的宽带服务的唯一方法。

在过去的二十多年中,无线和有线宽带技术在互联网生态系统中和谐共存。但是,一些行业代表认为,5G无线宽带将能够直接与有线宽带展开全新的竞争甚至于会完全替代有线宽带。

无线互联网的部署还受到有线系统不受限制的约束。低频无线信号的应用中,例如AM/FM广播和广播电视,可以不成问题地穿过树木、建筑物和露天区域等环境。由于较高的频带具有更多的带宽,通常可携带更多的信息。

但是,高频信号也更容易被吸收和散射,从而限制了它们可以传输的距离。虽然2.4 GHz WiFi可以穿过墙壁,但5 GHz WiFi便会面临穿透性差的问题。据悉,下一代WiFi技术称为是WiGig,它利用高达60GHz的频带。在该频率下,60GHz路由器将最适合附近的视线通信。

4G通过在700 MHz和2.6 GHz频段之间进行运行,可以为距离较远的农村、乡镇的设备提供服务。从技术上讲,4G系统应该能够为低移动性设备提供1 Gb/s的下载速度。但是,在现实世界中,大多数运营商提供的速度实际为下行10~50 Mb/s,上行3~20 Mb/s。

5G有望在吞吐量和延迟方面比4G有所改善。对于长距离链路,5G将使用4G当前使用的相同频谱,例如介于700 MHz和4 GHz之间。天线和编码技术的改进将使载波能够更好地利用相同频谱。在吞吐量方面,长距离5G可能不是迈出的重大一步:低于6GHz 5G部署的测试发现,在最佳情况下它能够达到数百 Mb/s的速度。

除了重新使用4G频谱外,5G还将支持26 GHz及更高​​频率的“毫米波(mmWave)”频率。更高频率的频道很有吸引力,因为它们提供了更多可用带宽,因此可以支持更高的最大吞吐量。使用mmWave频谱,5G发射机将能够提供更好的传输速度,在最佳条件下最大可达1到10 Gb/s。

但是由于毫米波信号的频率比传统的蜂窝信号高得多,因此它们遭受的吸收和散射要大得多。毫米波信号无法穿过大多数墙壁,茂密的树叶甚至还会受恶劣的天气影响。此外即使在晴朗的条件下,它们的功耗也比6 GHz以下的信号快得多。这意味着mmWave不能很好地用于室外到室内的通信。mmWave发射器将更像WiFi,可以为较小的开放区域提供服务,暂不能成为4G的现成替代品。

5G还有望改善4G的延迟问题。尽管国内外运营商都承诺会维持在1~4毫秒之间,但这些数字仅适用于mmWave频谱。国外的一些测试发现,已发货的低于6GHz的5G设备的空气延迟在9到12毫秒之间,与4G大体相当。

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