“蝴蝶效應(yīng)”，想必很多人都聽說過――在一個動力系統(tǒng)中，初始條件下微小的變化能帶動整個系統(tǒng)的長期的巨大的連鎖反應(yīng)。這是一種混沌現(xiàn)象。任何事物發(fā)展均存在定數(shù)與變數(shù)，事物在發(fā)展過程中其發(fā)展軌跡有規(guī)律可循，同時也存在不可測的“變數(shù)”，往往還會適得其反，一個微小的變化能影響事物的發(fā)展，說明事物的發(fā)展具有復(fù)雜性。

用蝴蝶效應(yīng)來比喻5G頻率的變化對整個通信生態(tài)造成的影響可能不太準(zhǔn)確，但頻率的變化的確對通信生態(tài)造成了不小的影響，這也符合蝴蝶效應(yīng)中的“一個微小的變化能影響事物的發(fā)展”，不精確，卻較為符合。

5G相對4G而言，高頻率的使用，是其一大特點(diǎn)，這個特點(diǎn)也影響了通信生態(tài)中的其他組成部分，包括基站、終端、MIMO等。我們先來聊一下5G的頻率。

頻率

現(xiàn)在的移動通信技術(shù)已經(jīng)邁入了5G時代，這一切的基礎(chǔ)都源自于一個公式―波長與頻率的公式(此處特指電磁波)

式中c為光速，λ是波長，v是電磁波的頻率。目前三大運(yùn)營商所持有的4G頻率我們也都知道了，如下圖：

拿中國移動來看的話，從GSM時代的900Mhz開始到現(xiàn)在LTE時代的2.6Ghz，頻率的變化不可謂不大，而頻率變高所帶來的優(yōu)勢也是顯而易見的，更高的接入用戶數(shù)、更快的網(wǎng)絡(luò)速度及更低的時延，而這也恰恰的高頻率的特點(diǎn)――頻率越高，帶寬越寬，速度更快，當(dāng)然這個也不難理解。

舉個例子，1Mhz―2Mhz帶寬只有1M，但是1Ghz―2Ghz，其帶寬就是1000M，我們還是用高速路來打比方吧，帶寬越寬，高速路車行道就越多，四車道變?yōu)榘塑嚨郎踔粮?，同一時間內(nèi)通過的車輛就更多，意味著網(wǎng)速就越快。

去年12月，我國三大移動運(yùn)營商已經(jīng)獲得全國范圍5G中低頻段試驗(yàn)頻率使用許可。

其中，中國電信獲得3400MHz-3500MHz共100MHz帶寬的5G試驗(yàn)頻率資源;中國移動獲得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz頻段的5G試驗(yàn)頻率資源，其中2515-2575MHz、2635-2675MHz和4800-4900MHz頻段為新增頻段，2575-2635MHz頻段為重耕中國移動現(xiàn)有的TD-LTE(4G)頻段;中國聯(lián)通獲得3500MHz-3600MHz共100MHz帶寬的5G試驗(yàn)頻率資源。

上述頻段中，中頻頻段有3.4-3.6GHz、4.8-5GHz兩個頻段，剩下的就是低頻頻段。

頻率的變化引起的第一個通信生態(tài)中的“蝴蝶效應(yīng)”就是5G的基站了，其附帶的也改變了5G的網(wǎng)絡(luò)覆蓋模式。

開頭的公式很明確的指出，波長=光速/頻率，也就是頻率的變高直接導(dǎo)致波長的變短，這就是5G中所說的毫米波。

我們可以拿國際上主要使用28GHz來舉個例子：

Hz是頻率的單位。頻率是指電脈沖，交流電波形，電磁波，聲波和機(jī)械的振動周期循環(huán)時，1秒鐘重復(fù)的次數(shù)。1Hz代表每秒鐘周期震動1次，60Hz代表每秒周期震動60次。Hz是個很小的單位，通常在其前面加上K(千)，M(百萬)，G(十億)，T(萬億)等數(shù)量級單位。

電磁波的特點(diǎn)是頻率越高(波長越短)，就越趨近于直線傳播，這也意味著其衍射能力(指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象)就越差;5G高頻率的電磁波其傳播途徑的路徑損耗也要遠(yuǎn)大于4G，這就意味著要達(dá)到相同的信號覆蓋效果，5G基站的部署量要遠(yuǎn)多于4G，對運(yùn)營商而言，又意味著要花錢了。

基于5G的特點(diǎn)，4G時代的宏基站范圍性覆蓋已經(jīng)變得不好使了，之前4G一個宏基站可以覆蓋100米(僅做參考說明，非實(shí)際值)，到5G這里也許只能覆蓋30米，5G更快的速率、更寬的帶寬及更低的時延的“代價”就是運(yùn)營商需要投入更多的錢來部署更多的基站。

波長越短，天線越短

從大哥大時代的外置式手機(jī)天線到現(xiàn)在的內(nèi)置天線，手機(jī)天線的進(jìn)化史恰恰也反應(yīng)了移動通信的進(jìn)化歷程，而這兩者的關(guān)系，源于天線與波長的關(guān)系。

天線長度與頻率成反比，與波長成正比，頻率越高，波長越短，天線也就可以做得越短。

一段金屬導(dǎo)線中的交變電流能夠向空間發(fā)射交替變化的感應(yīng)電場和感應(yīng)磁場，這就是無線電信號的發(fā)射。相反，空間中交變的電磁場在遇到金屬導(dǎo)線時又可以感應(yīng)出交變的電流，這對應(yīng)了無線信號的接收。

在電臺進(jìn)行發(fā)射和接收時都希望導(dǎo)線中的交變電流能夠有效的轉(zhuǎn)換成為空間中的電磁波，或空間中的電磁波能夠最有效的轉(zhuǎn)換成導(dǎo)線中的交變電流。這就對用于發(fā)射和接收的導(dǎo)線有獲取最佳轉(zhuǎn)換效率的要求，滿足這樣要求的用與發(fā)射和接收無線電磁波信號的導(dǎo)線稱為天線。

理論和實(shí)踐證明，當(dāng)天線的長度為無線電信號波長的1/4時，天線的發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高。因此，天線的長度將根據(jù)所發(fā)射和接收信號的頻率即波長來決定。只要知道對應(yīng)發(fā)射和接收的中心頻率就可以用下面的公式算出對應(yīng)的無線電信號的波長，再將算出的波長除以4就是對應(yīng)的最佳天線長度。

天線的變短，這就意味著終端制造商可以在小小的機(jī)身內(nèi)在多做幾根天線，從而加強(qiáng)信號，這就是現(xiàn)在終端廠商都喜歡提的MIMO。

有關(guān)MIMO，IT之家筆者在之前的《頻段和信號那些事：淺談LTE的MIMO多天線技術(shù)》做過詳細(xì)介紹，有興趣的可以看一下。在此，我們來說一下5G的MIMO技術(shù)。

MassiveMIMO

MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，它與傳統(tǒng)的信號處理方式的不同之處在于其同時從時間和空間兩個方面研究信號的處理問題，從而能夠在不增加帶寬與發(fā)射功率的前提下，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率、減少誤比特率、改善無線信號的傳送質(zhì)量。

MassiveMIMO我們可以將其理解為MIMO的進(jìn)化版，LTE時代的MIMO多為2通道、4通道及8通道，而MassiveMIMO的通道數(shù)則可達(dá)到64/128/256，幾乎是指數(shù)增長了。

LTE時代的MIMO模式，在做信號覆蓋時實(shí)際上只做到了水平覆蓋，而MassiveMIMO在其信號水平維度空間基礎(chǔ)上引入垂直維度的空域進(jìn)行利用，信號的輻射狀是個電磁波束。所以MassiveMIMO也稱為3D-MIMO。

現(xiàn)有資料顯示，MassiveMIMO的優(yōu)勢具體有以下幾點(diǎn)：

高復(fù)用增益和分集增益：大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的空間分辨率與現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)相比顯著提高，它能深度挖掘空間維度資源，使得基站覆蓋范圍內(nèi)的多個用戶在同一時頻資源上利用大規(guī)模MIMO提供的空間自由度與基站同時進(jìn)行通信，提升頻譜資源在多個用戶之間的復(fù)用能力，從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率。

高能量效率：大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可形成更窄的波束，集中輻射于更小的空間區(qū)域內(nèi)，從而使基站與UE之間的射頻傳輸鏈路上的能量效率更高，減少基站發(fā)射功率損耗，是構(gòu)建未來高能效綠色寬帶無線通信系統(tǒng)的重要技術(shù)。

高空間分辨率：大規(guī)模MIMO系統(tǒng)具有更好的魯棒性能。由于天線數(shù)目遠(yuǎn)大于UE數(shù)目，系統(tǒng)具有很高的空間自由度，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。當(dāng)基站天線數(shù)目趨于無窮時，加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負(fù)面影響全都可以忽略不計。

盡管MassiveMIMO的優(yōu)勢很明顯，但現(xiàn)階段該技術(shù)還存在一些問題亟待解決，比如：如何安排天線?如何建模3D頻道?如何將其應(yīng)用于FDD操作?如何從大陣列生成寬光束?如何校準(zhǔn)天線系統(tǒng)?如何處理調(diào)度和預(yù)編碼的復(fù)雜性等。

事實(shí)上，MassiveMIMO對于5G的意義，也可以看成是對頻率資源的妥協(xié)。

我們知道如果運(yùn)營商使用低頻頻段或者中頻頻段，那就可以實(shí)現(xiàn)天線的全向收發(fā)，至少也可以在一個很寬的扇面上收發(fā)。中低頻段也就是現(xiàn)在LTE所使用的頻段，但是根據(jù)工信部給三大運(yùn)營商分配的5G試驗(yàn)頻段來看，很明顯，中低頻的的資源是不夠用的，高頻的劣勢在于路徑損耗大，再加上國家對發(fā)射功率是有規(guī)定的，這樣一來，就只能在天線上下功夫了。因?yàn)楹撩撞ǖ某霈F(xiàn)，天線的尺寸進(jìn)一步縮小，既然不能增加功率，那就增加天線數(shù)量吧，這就是多天線陣列。

根據(jù)3GPPR1-136362的說法，在高頻場景下，5G信號穿過建筑物的穿透損耗也會大大增加。這些因素都會增加信號覆蓋的難度。特別是對于室內(nèi)覆蓋來說，用室外宏站覆蓋室內(nèi)用戶變得越來越不可行。

但是使用MassiveMIMO(即多天線陣列)，可生成高增益、可調(diào)節(jié)的賦形波束，從而明顯改善信號覆蓋，由于其波束非常窄，也可以大大減少對周邊的干擾。

不過多天線陣列也是把雙刃劍。多天線陣列的大部分發(fā)射能量聚集在一個非常窄的區(qū)域。這意味著，使用的天線越多，波束寬度越窄。

多天線陣列的優(yōu)點(diǎn)是，不同的波束之間，不同的用戶之間的干擾比較少，因?yàn)椴煌牟ㄊ加懈髯缘木劢箙^(qū)域，這些區(qū)域都非常小，彼此之間不大有交集。

多天線陣列的缺點(diǎn)則在于系統(tǒng)必須用非常復(fù)雜的算法來找到用戶的準(zhǔn)確位置，否則就不能精準(zhǔn)地將波束對準(zhǔn)這個用戶。因此，波束管理和波束控制(波束賦形)對MassiveMIMO的重要性就不言而喻了。

總結(jié)：

實(shí)際上5G是很復(fù)雜的，單一頻率變化引起的“蝴蝶效應(yīng)”已經(jīng)多到“罄竹難書”，比如多天線是如何保證信號不被干擾、波束賦形的作用等，如果有興趣的話我們可以下篇文章中一起探討一下。

5G作為新技術(shù)，其前景無疑的光明的，正如“蝴蝶效應(yīng)”說的那樣，5G的出現(xiàn)，帶動了整個系統(tǒng)的長期的巨大的連鎖反應(yīng)，比如車聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智慧城市等待。

既然如此，那就讓5G的蝴蝶翅膀可勁撲棱吧，這個效果，我們能承受得住。