探索、研拟中的5G技术 4G过后 5G准备接轨

2015-03-23 12:49:36来源: CTIMES
    4G的定义是基地台对固定装置的传输率达1Gbps(指整个基地台的服务能力,若有2个与2个以上的装置,1Gbps传输率就会因资源分配而减少),对移动装置的传输率达100Mbps,能达此水准一律能称为4G,LTE必须到Category 4之后的速率才满足,Cat. 1~3不能算,而WiMAX也要到WiMAX 1.5/2.0才能算,WiMAX 1.0不能算。虽然说能满足要求的即算4G,但大体还是以GSM→WCDMA→LTE为主轴。



图一 : 5G现阶段的目标是将传输率提升到10Gbps以上。
而所谓的5G,目前仍在技术摸索、研拟、提案中,现阶段的目标是将传输率提升到10Gbps以上,为达此要求,各研究机构与网路设备厂、电信营运商,均在进行各种尝试,但大体已有一些技术共识。



图二 : 5G技术目前仍在技术摸索、研拟、提案中,现阶段的目标是将传输率提升到10Gbps以上。
可行技术策略

首先是运作的频段,现行LTE/4G多在3GHz以下运作,尤其FD-LTE多在偏低频位置,如700MHz、1800MHz,TD-LTE则较为高频,如2.1GHz、2.3GHz等,而目前提案中的LTE-U将会使用5GHz频段,与Wi-Fi所用频段相同。

5G为了达到高传输率,期望使用更高的频段位置,一般认为将达30GHz以上,例如南韩Samsung已尝试用28GHz进行传输,日本NTT DoCoMo也尝试用进行传输,其他如Ericsson尝试用15GHz,Nokia则用70GHz,甚已有达80GHz、90GHz的说法。



图三 : 5G频谱
为了达到高传输率,每个通道频宽也必须尽可能大,现行Wi-Fi不过20/40/80/160MHz频宽,LTE-A运用载波聚合技术,最高也仅能达100MHz频宽(聚合5个20MHz的载波),但是NTT DoCoMo已经尝试使用400MHz频宽,且已有1GHz频宽的技术提案。

一样是为了提升传输率,天线数也必须增加,仅以MIMO、eMIMO(e=enhanced)来形容已经不足够,新称呼为Massive MIMO,指使用大量数目的天线,NTT DoCoMo已开始尝试8根发送天线与16根接收天线,Samsung则已用上64根天线,收发天线数愈多,意味着传输率愈高。



图四 : 5G行动通讯将会整合如奈米技术、云端运算、MIMO等多种技术。
另外5G也希望减少传输延迟(Latency),希望将延迟时间限缩在1mS(毫秒)内,且要能支援物联网(IoT),此在现行4G中称为机器型通讯(Machine Type Communication, MTC),言下之意通话、通讯的不是人类,是装置(机器),而5G也一样要承袭与强化精进此方面的支援。

发展限制与挑战

乍听之下5G是将过往所谓的规格拉更高,好达到10Gbps的要求,但实际上5G技术也有所牺牲,由于使用5GHz以上的高频段运作,波长缩短,电波在传送路径中容易衰减,一般估在2km内,无法如现在动辄5km、9km远,甚至数十km的传输距离与覆盖。

为了弥补基地台覆盖面积的变小,只好采行更广泛、绵密的基地台布建,言下之意未来Small Cell作法将成主流。不过,仍会有一种追求高覆盖率、低传输率的基地台,好用来协调各个小基地台间的协同运作(只用来传递沟通协调的控制信号),这种“大覆盖负责控制、协调,小覆盖负责高速传输资料”的作法,一般称为异质网路(Heterogeneous Network, HetNet),现行4G已开始倡导这种观念,之后也会延续。

最后,由于使用5GHz以上频段,多不是全球通行频段,各国对高频有各种用途,因此如何协调频段的运用也成重要挑战,现行4G推行所谓ASA(Authorized Shared Access),例如海岸防卫队可能只在沿岸用高频雷达,则透过协调在内陆使用相同频段提供服务,或者某些时段不用也可以暂时挪借相同频段来运作,用时间与空间上的差异来灵活运用频谱资源。

当笔者跟别人谈及ASA机制时,多数人的第一个反应是“频谱资源已经荒缺到这种地步了?需要在时间与空间上进行争抢挪用?”看来答案是肯定的,笔者也曾与人说明“客户关系管理,CRM”,即透过电脑分析大量客户资料,对客户进行分群,而后针对不同群的客户推销不同的销售优惠方案,如电信商针对经常出差的人提供跨国漫游优惠方案,针对情侣推行网内互打方案。

然说明了CRM后,也有人向笔者反应:生意做到这个地步,根本是做不下去了嘛!但产业现实、市场现实,技术要持续精进,生意模式也要持续精进。

物联网IoT必行之路─Sub-1GHz频段

虽然新一代的5G通讯朝向更高频的方向走,例如5GHz以上的频段,甚至可以高到28GHz、30GHz等,但其实无线通讯也有另一个趋势,是往更低频的位置走,即1GHz以下的频段,英文称为Sub-1GHz。

这如同电脑运算一样,一是往更高效能推进,另一是往更低廉小巧推进,现在的桌上型PC可以小到只有USB随身碟般大小,称为PC-on-a-Stick,或者可以只有名片般大小,价位更只有20~35美元,如树莓派(Raspberry Pi, RPi)。



图五 : TI的Sub-1GHz频谱分析仪,售价仅25美元。
而所谓Sub-1GHz,就字义上而言是泛指低于1GHz频段的无线通讯统统都算,但实际而言并非如此,而是要扣除许多既有应用与标准才能算。首先要扣除类比电视的电视白区(Television White Space, TVWS),小至54MHz,大至890MHz,换成数位电视后,也会使用698MHz~890MHz间。

而以LTE而言,FDD LTE也有使用13个频段低于1GHz,一般在700MHz~900MHz间,但有一个频段低至462MHz。而偏高频的TD-LTE也有一个频段在1GHz以下,为703MHz。



图六
扣除上述后,真正用于物联网(IoT)应用的,多是315MHz、433MHz、868MHz、915MHz等频段,部份国家还允许使用169MHz频段,或者大陆可用779MHz。

即便是这些频段,其实也已经有其他无线通讯标准采用,如业界已发展、推行10年的ZigBee,即使用2.4GHz、915MHz、868MHz频段,其中后两者低于1GHz。而Google/Nest Labs提出的家用物联网无线通讯技术Thread,已言明使用与ZigBee相同的底层技术,即IEEE 802.15.4,言下之意现有已支援ZigBee通讯的晶片,理论上只要更新韧体,就可以改行Thread通讯,如此也一样用及868MHz、915MHz频段。不过,ZigBee、Thread已属物联网技术领域,已是Sub-1GHz本有的初衷应用。

除了ZigBee、Thread外,IEEE 802.11ah标准也是锁定1GHz以下的物联网、无线感测器网路(WSN)等应用,预计2016年会有正式标准出炉。

当然,1GHz以下也包含类比AM收音机的540kHz~1,600kHz(1.6MHz),或者FM收音机的88.1MHz~108.1MHz,也包含无线充电的WPC Qi的110kHz~205kHz,或A4WP的6.78MHz,NFC与RFID感应的13.56MHz,但因为这些频率实在太低,除FM外几乎都不到100MHz,因此几乎可略而不提,不相冲突。

所以,即便真的谈论低于1GHz的物联网传输应用,也有4类需要谈论,一是现行最普及的产业标准ZigBee(广泛应用),二是各业者自行应用的专属型Sub-1GHz传输,三是刚起步不久,仅针对家用物联网的Thread,四是预计2016年到位的IEEE 802.11ah。

IEEE 802.11ah的订立是希望业者放弃专属型Sub-1GHz,但目前来看有些不乐观,因为11ah仅订立多数业者均可接受的共识标准,现有专属型的晶片表现多已超越此标准,预估即便标准出炉,放弃专属的速度也会缓慢,特别是在一些产业型应用中,特别讲究较佳的通讯表现,且换用周期较久。

以上4类尚未谈到LTE,事实上LTE也在订立支援物联网的新通讯标准,即MTC(Machine Type Communication),如此就有5类低于1GHz的物联网通讯,因为如前述,LTE至少有462MHz、700MHz~900MHz可用。另外,与ZigBee、Thread在家用物联网竞争的尚有Z-Wave,也使用868MHz~956MHz。

另外美国欧巴马总统2008年就任后所提出的智慧电网(Smart Grid),也在之后由IEEE负责制订出智慧公用事业网路(Smart Utility Network, SUN)标准,即IEEE 802.15.4g,也一样是使用低于1GHz频段,也属产业性应用的物联网。

最后,一定要用及1GHz以下频段吗?一是低频可以用较低成本达到比较大面积的覆盖,好支援广布的感测节点,同时每个节点的传输量不大,低频频段的Mbps级传输率足以因应。另一则如Nest Labs所言,2.4GHz频段太挤了,包含微波炉、Wi-Fi、蓝牙都使用,因此Thread期望在2.4GHz外也能使用其他频段,以加速实现家用物联网。

目前唯一没使用低于1GHz的物联网通讯恐怕仅剩蓝牙,4.1版的蓝牙也开始支援Mesh型网路,这是支援物联网所必须的基础,但蓝牙依然以2.4GHz为主,且看其日后发展会否也跟进采用Sub-1GHz频段。

关键字:5G  4G

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2015/0323/article_40871.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
5G
4G

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved