對於2018年的5G網路來說,最重要的五大無線技術中的兩個—多重輸入多重輸出(MIMO)和波束成形(beamforming)——對5G網路一直都非常重要。

MIMO和波束成形

對於LTE/4G,業界正接近時間和頻率利用的理論極限。5G無線技術的下一步是利用空間維度,透過向不同方向發射嚴格聚焦的訊號,盡可能頻繁地同時使用任何給定頻率。業界在將這兩項技術用於5G時,尚需克服挑戰。2017年,這兩個主題一直在進步和變化,2018年在這兩方面可能會看到更多。

MIMO描述了在發送端和接收端將越來越多的天線聚合進越來越密集的陣列,以創建更多的資料串流層。同時,波束成形和與波束跟蹤緊密相關的技術是將每個訊號引導到接收器的最佳路徑上,同時避免訊號干擾。

波束成形將使MIMO效率更高。不過,要應用在5G網路系統,這兩種技術都需要做進一步改進。

20180214NT01P1 圖1 5G將依靠天線陣列來提供大量的輸入和大量輸出(或稱MIMO);波束成形將訊號引導到特定設備。(圖片來源:T-Mobile)

物理上縮小天線尺寸仍困難重重;針對5G的MIMO陣列非常大(這是2020年之前,也許更晚,實際的5G智慧型手機都不太可能問世的原因之一)。大多數現存的陣列功耗仍太高,以致不完全實用。

波束成形的本質正如其名,但該術語並沒有蘊含涉及的複雜性。在4G中,發射器對接收器進行三角定位;在5G中也是如此,但在5G中,發射器也將能映射物理環境,然後不僅計算多徑反彈,而且計算如何錯開訊號流,以不干擾同步訊號的方式來利用多路徑。當發射器和接收器中的任一個或兩個都在移動時,任務變得更困難。

所有這些又都因5G無線的下一個重要方面中的額外固有技術挑戰而更加棘手。

20180214NT01P2 圖2 訊號必須沿著高度和方位角兩個維度去引導,使波束成形的任務複雜化。(圖片來源:Qorvo)

毫米波(mmWave)

最初為5G分配的頻率在6GHz已擁擠不堪。世界各地不同司法管轄區最近分配給5G服務的頻譜大多分佈於各毫米波頻率。

毫米波範圍是從30G~300GHz。世界範圍內新的5G頻譜分配,範圍從20幾GHz(例如26GHz和28GHz,它們技術上不是毫米波,但通常被歸入該類),到30G~40GHz內的幾個頻段和40G~50GHz內的幾個頻段。有一個60GHz的Wi-Fi頻段可用於5G無線,其他更高的頻率正在考慮中。

20180214NT01P3 圖3 毫米波範圍(30~300GHz)附近和以內的頻譜特別適合於更高的資料速率,儘管有缺陷,但卻有吸引力。(資料來源:Ericsson)

一方面,這些較高頻率的訊號將支援比5G規定高得多的資料速率。為提高其迄今為止已設法實現的頻譜效率,業界仍然有工作需進行。另一方面,毫米波訊號的傳輸速率明顯低於期望。毫米波訊號及6GHz以下訊號不能傳得很遠,也不能穿透障礙物。

一般來說,5G的許多元件仍然昂貴,在毫米波頻譜尤其如此。隨著規模經濟拉動並基於未來可能的創新,進一步的整合將肯定使成本下降。

在以前的無線網路演進中,基本的目標任務是把資料送到手機。沒錯,這是從簡單的電話開始,並發展到增加寬頻接入;其他類型的設備是由4G/LTE網路支援,但絕大多數的無線網路使用是向手機收發資料,但這將隨著5G而改變。5G將成為許多物聯網(IoT)應用的使能技術,但同樣重要的是,這些物聯網應用將有助於證明5G演進的正確性。包括物聯網在內的用例實際上內置於5G技術發展藍圖中,這是5G市場發展的內在。

雖然許多物聯網設備將直接連接到5G,但其他的不會。許多物聯網應用將依賴大量簡單、便宜的感測器或其他相對簡單的設備。這些設備可能要求低功耗或超低功耗,可能要求也可能不要求低延遲,可能需要也可能不需要彼此通訊,產生(也可能收到)的資料量可能會因設備的不同而差異巨大,且它們可能需要進行即時不停的輪詢,也可能一天、一周、甚至一月才輪詢一次。

在許多這些應用中,5G連接不僅是技術上的過度浪費,而且還太昂貴,以致於它們中有許多在經濟上不可行。這就是為什麼下一項技術介紹也對5G市場非常有用。

低功耗廣域網路(LPWAN)

在許多物聯網應用中,大批設備將透過專門為LPWAN設計的一些無線技術連接到基地台,基地台又將連接到高速高頻寬的網路。該網路可能是5G,但不一定;4G連接有時就足夠了——有時候3G就可以。附近有有線接入也可以,它也許同樣有用(如果不是更理想的話),只是在很多地方,附近沒有有線網路,這就有利於5G網路連接被採用。

目前有幾種LPWAN選擇。它們包括LoRaWAN、Sigfox、Weightless、NB-IoT、LTE-M、Ingenu和Symphony Link。下一個版本的Wi-Fi 802.11ax在規範中有低功耗選項,它也可能加入其中。

一些LPWAN技術是專有技術,另一些則是更具包容性的開發過程的結果,它們的開放程度不同。現在判斷哪一個會變得流行還為時過早,但可以肯定的是:LPWAN的無線選擇比市場可能長期容納的要多。

網狀網路(Mesh networking)

在一些物聯網應用中,使用無線傳輸技術不僅適用於連接大量簡單便宜的設備,而且還適用於其彼此互連,這就是網狀網路的天下。一些LPWAN技術一開始並沒有提供網狀網路支援,但現在幾乎所有的技術都已提供。

網狀網路並不是LPWAN獨有,它已經被納入無線區域網路(WLAN)技術。ZigBee和Thread一開始就支援網狀網技術,藍牙(Bluetooth)最新版本已經增加,下一個版本的Wi-Fi也將擁有網狀網路技術。Wi-Fi的下一版本稱為802.11ax,也叫做Max(觀察「11ax」,反轉第一個1,它就面朝另一個方向。懂了嗎?)。

無線網狀網路當然可以在5G中有用。在所有連接設備都是靜止的區域網路中,網狀網路尚不能容易地做好;考慮到移動的設備(行走的人、無人機、汽車),則難度加劇。業界正在開始使5G支援網狀網路的工作。

20180214NT01P4 圖4 網狀網路將有助於設備互連。一種可能的用途是車對車(V2V)通訊。(資料來源:密西根理工大學,Michigan Technological University)

(參考原文: The top 5 5G wireless technologies,by Brian Santo)