3、微基站技術(shù)
請(qǐng)您腦補(bǔ)一個(gè)場(chǎng)景，小區(qū)中心只立著一盞路燈，陰影面積當(dāng)然會(huì)很大，而如果在小區(qū)里均勻設(shè)置很多路燈，陰影面積則會(huì)小得多了。所以說(shuō)，將傳統(tǒng)的宏基站變成站點(diǎn)更多密度更大的微基站，是解決毫米波“直線問(wèn)題”的有效方法。
這只是微基站的一個(gè)原由，還有一個(gè)更強(qiáng)大的原由。5G時(shí)代的入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量會(huì)呈爆炸性的增長(zhǎng)，單位面積內(nèi)的入網(wǎng)設(shè)備可能會(huì)增至千倍，若延續(xù)以往的宏基站覆蓋模式，即使基站的帶寬再大也無(wú)力支撐。
這個(gè)原由很好理解，以前的宏基站覆蓋1000個(gè)上網(wǎng)用戶(hù)，這些用戶(hù)均分這個(gè)基站的速率資源，而進(jìn)入5G時(shí)代后用戶(hù)的速率要求高多了，一個(gè)基站的資源就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠分了，只能布設(shè)更多的基站，例如讓每個(gè)基站只負(fù)責(zé)20個(gè)用戶(hù)，分餐的人少了，每個(gè)人自然就能多吃。
基站微型化則設(shè)布設(shè)密度會(huì)加大。為避免基站之間的頻譜互擾，基站的輻射功率譜就會(huì)降低，同時(shí)手機(jī)的輻射功率也會(huì)降低。這有兩個(gè)好外，一是功耗小了待機(jī)時(shí)間會(huì)增加，二是對(duì)人體的輻射會(huì)降低。傳統(tǒng)基站好比是房屋中間的火爐子，近處燙遠(yuǎn)處冷，而5G的微基站就好比是地暖，發(fā)熱均勻更加舒適。
微基站數(shù)量大幅度增加后，傳統(tǒng)的鐵塔和樓頂架設(shè)方式將會(huì)擴(kuò)展，路燈桿、廣告燈箱、樓宇內(nèi)部的天花板，都會(huì)是微基站架設(shè)的理想地點(diǎn)。
波長(zhǎng)縮短到毫米波還會(huì)有什么影響呢？還會(huì)影響到手機(jī)天線的變化，這就是下一節(jié)要說(shuō)的5G另一項(xiàng)技術(shù)—高階MIMO。
4、高階MIMO
根據(jù)天線理論，天線長(zhǎng)度應(yīng)與波長(zhǎng)成正比，大約在1/10~1/4之間，當(dāng)前手機(jī)使用的是甚高頻段（即分米波），天線長(zhǎng)線大約在幾厘米左右，通常安裝在手機(jī)殼內(nèi)的上部。
天線的長(zhǎng)度為什么應(yīng)在波長(zhǎng)的1/10~1/4之間？因?yàn)檫@個(gè)比例可使電波的輻射和接收更有效，為什么會(huì)更有效？這我就不知道了，這得問(wèn)物理學(xué)家。
5G時(shí)代的手機(jī)頻率在提升幾十倍后，相應(yīng)的手線天線長(zhǎng)度也會(huì)降低到以前的幾十分之一，會(huì)變成毫米級(jí)的微型天線，手機(jī)里就可以布設(shè)很多個(gè)天線，乃至形成多天線陣列。
多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個(gè)波長(zhǎng)以上，手機(jī)的面積很小。現(xiàn)在的手機(jī)天線是幾厘米長(zhǎng)，多天線陣列是難以設(shè)置的。而隨著天線長(zhǎng)度的降低，特別是5G時(shí)代的毫米尺寸天線，就可以布設(shè)多天線陣列了，就給高階MIMO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了可能。
啥是MIMO呢？其英文簡(jiǎn)寫(xiě)是“多入多出”的意思，高階MIMO的意思是指基站與手機(jī)之間有很多對(duì)的信道并行通信，每一對(duì)天線都獨(dú)立傳送一路信息，經(jīng)匯集后可成倍提高速率，這當(dāng)然是件極好的事。
不知您是否思考過(guò)這個(gè)問(wèn)題：因?yàn)榛静恢滥谀膫€(gè)方位，所以它跟你通信使用的電磁波是全向輻射的，就好像是電燈泡發(fā)出的光那樣，只有到達(dá)你手機(jī)的輻射才是有用的，其它方向的輻射都是浪費(fèi)的，這種巨大的無(wú)用輻射還成為了其它手機(jī)的干擾。
如上圖所示，因?yàn)槭蛛娡驳哪芰扛校员葻襞菡盏母h(yuǎn)，基站與某部手機(jī)的關(guān)系就相當(dāng)于光源與被照射物的關(guān)系。
現(xiàn)在基站與手機(jī)的關(guān)系就是燈泡模式，不管手機(jī)在哪個(gè)方位，都會(huì)把針對(duì)這部手機(jī)的信號(hào)進(jìn)行全向的輻射，當(dāng)然絕大多數(shù)非正對(duì)方向的能量都是浪費(fèi)掉了，而且還成為了其它手機(jī)的干擾。
能不能把燈泡模式改成有指向性的手電筒模式呢？即把上圖左面的全向輻射樣式改成右面的這種窄波瓣樣式，從而提高能量的使用效率？這就是下節(jié)要說(shuō)到的波束賦形技術(shù)。
5、波束賦形技術(shù)
中國(guó)主導(dǎo)的3G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA有六大技術(shù)特點(diǎn)，其中有一項(xiàng)就是智能天線，在基站上布設(shè)天線陣列，通過(guò)對(duì)射頻信號(hào)相位的控制，使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄，并指向它所提供服務(wù)的手機(jī)，而且能跟據(jù)手機(jī)的移動(dòng)而轉(zhuǎn)變方向。
由全向的信號(hào)覆蓋變?yōu)榱司珳?zhǔn)指向性服務(wù)，這種新形式的無(wú)線電波束就不會(huì)干擾到其它方向的波束，從而可以在相同的空間中提供更多的通信鏈路。這種充分利用空間的無(wú)線電波束技術(shù)是一種空間復(fù)用技術(shù)，可以極大地提高基站的服務(wù)容量。
遺憾的是這項(xiàng)技術(shù)沒(méi)有在3G時(shí)代得到應(yīng)用，但在5G入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量成百上千倍增加的情況下，這種波束賦形技術(shù)所能帶來(lái)的容量增加就顯得非常有價(jià)值，波束賦形技術(shù)很可能成為5G的關(guān)鍵性技術(shù)之一。
波束賦形技術(shù)不僅能大幅度增加容量，還可大幅度提高基站定位精度。當(dāng)前的手機(jī)基站定位的精度很粗劣，這是源于基站全向輻射的模式。當(dāng)波束賦型技術(shù)成功應(yīng)用后，基站對(duì)手機(jī)的輻射波瓣是很窄的，這就知道了手機(jī)相對(duì)于基站的方向角，再加上通過(guò)接收功率大小推導(dǎo)出手機(jī)與基站的距離，就可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)的精準(zhǔn)定位了，并因此而擴(kuò)展出非常多的定位增值服務(wù)。
6、綜合分析
任何更新?lián)Q代的關(guān)鍵性技術(shù)，都必須是經(jīng)歷過(guò)多年研究的成熟技術(shù)，按規(guī)劃還有5年就要進(jìn)入5G時(shí)代了，不太可能突然出現(xiàn)一個(gè)全新的技術(shù)并被吸納為5G的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，考察5G的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)還得從成熟技術(shù)中尋找答案。
在傳統(tǒng)的宏基站大覆蓋的情況下提速是非常困難的，20%的頻譜利用率的提升都是了不起的成就，而在5G時(shí)代的千倍提速要求面前，這種內(nèi)部挖潛的方法是行不通的，只有通過(guò)大幅度的加大帶寬才有可能。
加大帶寬是起點(diǎn)，由此而產(chǎn)生的毫米波、微基站、高階MIMO、波束賦型等都是順理成章的技術(shù)趨勢(shì)。只要把基站做得足夠小，其服務(wù)范圍變窄了，單個(gè)用戶(hù)獲得的資源就能足夠大，速度就可以提高到足夠快。
所以說(shuō)，5G的任何一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都不會(huì)有革命性的突破，其上千倍綜合能力的提升，更多地是來(lái)自移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的重新布局。
三、后記
這篇5G科普您一定能看懂，而且還能理解一環(huán)扣一環(huán)的5大技術(shù)的原由，甚至覺(jué)得這是理所應(yīng)當(dāng)?shù)摹Ｆ鋵?shí)，這種易讀性并不容易做到，尤其是技術(shù)門(mén)檻很高的通信專(zhuān)業(yè)，能讓外行越容易理解的文章，就越能體現(xiàn)作者的功力，這還真不是王婆賣(mài)瓜，而是一個(gè)在教育界有共識(shí)的道理。
真正的道理都不繁瑣，往往就是一句話(huà)的事，難就難在把這句話(huà)提煉出來(lái)讓更多的人理解。我寫(xiě)過(guò)不少科普，現(xiàn)在看來(lái)對(duì)這篇是最滿(mǎn)意的，因?yàn)檫@篇講的不是“是什么”，而是“為什么”，是什么好講，為什么難說(shuō)，尤其是把“為什么”給外行人講清楚，做到讓他們理所應(yīng)當(dāng)式的理解。這篇文章的內(nèi)容次序和寫(xiě)法上進(jìn)行了反復(fù)斟酌并屢次重寫(xiě)。
