『我的第一部5G手机』当下最热门的移动通讯技术——5G与6G( 三 ) |技术|通信|2019科技之光|

【『我的第一部5G手机』当下最热门的移动通讯技术——5G与6G】
这是什么道理呢？原来，多天线之间距离足够远以后，接收到的直射信号还是有明确的一一对应关系，但是，多径信号就不可能相同。而且非但不相同，天线Ｂ１和天线Ｂ２收到的多径信号完全无关。请读者记住，对于信号处理而言，一一对应关系非常好，我们总可以让它们相加或者相减。另外，完全无关的关系也非常好，我们可以让他们相加然后平均，就消除它们了。以上的处理被称为：分集接收。已经被数学推导和工程实践证明，它是对付多径衰落的好方法。当然，上图也可以用２根天线发射，１根天线接收；或者１根天线发射，２根天线接收。只要做到２个接收信道独立，效果是完全一样的，都是２分集。２根天线发射，２根天线接收的情况，利用相互交叉的信道，经过适当的处理，可以达到４分集，抗衰落性能更好，我们称分集增益更高。
上图所示是一种早期的分集接收技术，其分集相加是在检波后进行的。凭借当年的硬件水平，检波前相加是难以实现的，或者说，实现起来代价太高。随着硬件水平的提高，检波前相加就可以实现了。比如3G采用的RAKE接收机就是典型代表。 RAKE接收机将收到的主要多径信号都“梳理”出来，经过移相使其同相相加，从而达到变废为宝的效果。 RAKE就是中文“梳理”的意思。
多天线还有什么好处呢？采用一根或者几根发射天线，无法将信号精准地发送到接收天线，经常９９％以上的能量散落在接收天线以外的方向上而浪费了。但是假如发射天线有几百根之多，采用阵列天线理论，就可以实现精准发射信号，如图所示：

本文插图
基站天线可以形成几个独立波束，每个波束精准聚焦到一部手机。这样，是可能提高能量效率超过１００倍的，同时，也使得多径更少了。不仅如此，这种方法还增加了一种信道划分的维度，除了我们说过的频分、时分、码分以外，还可以用多波束天线形成空分多址接入（ＳＤＭＡ）。阵列天线理论在雷达技术领域５０年前就基本成熟了。雷达在精确测量、多目标跟踪。成像等方面，上世纪６０年代前，已经非常深入地研究了阵列天线理论。一直到上世纪９０年代，通信领域借鉴了雷达的阵列天线，提出了ＳＤＭＡ和智能天线等新技术。
现在我们说到了多天线的好处：分集接收、ＳＤＭＡ。但是，分集接收还有一个大问题：那么小的手机，即便安装了几个天线，如何能够形成几个独立的接收信道？所谓独立的接收信道，就是每个天线接收到的多径信号是不相关的。手机的几个天线很靠近，怎么样才能使其收到的多径不相关呢？其实，尽管手机天线不能像基站天线那样精细控制波束方向，但是，还是可以粗粗地形成几个波束，手机在不同方向的波束，会收到不同的来波，就可以形成几条独立的接收信道。这与RAKE接收机的思路类似，都是将多径信号化废为宝地利用。
还有一个巧妙的方法：空时编码。通信理论动不动就编码。其实此编码与彼编码都是不同的。空时编码就是采用多天线形成分集的同时，再在不同的时间将信号或者信号的某种变换值多发几次，又形成时间上的分集。空间分集与时间分集联合起来，进一步提高分集增益，就称为空时编码。
5G是靠着减小小区覆盖面积、增加频率带宽、大规模MIMO空时域处理、ＳＤＭＡ等一系列技术，大幅度提高移动通信性能的。而以上一系列技术的基本原理早在几十年前就基本上成熟了，关键在于发展出了大规模集成电路来实现这些基本原理。
再来， 5G可以使用的频段大致可以分为1GHz以下低频段、2-6GHz的中频段和毫米波的高频段。采用低频段的5G难以实现5G承诺的性能。采用高频段的毫米波，尽管可以大幅度提高速率，但是毫米波必须视距传播，因此移动通信小区覆盖就会非常小，难以实现无缝覆盖。中国使用的中频段相对来说是最佳的频段。而美国能够用于发展5G的中频段频谱资源极为有限，其6GHz以下（Sub-6GHz）频段频谱已主要被广播电视、军用卫星和雷达所占据，因此，美国主要选择毫米波频谱用于发展初期5G网络，而中低频用于5G网络的频谱极其有限。这个原因才是美国5G发展缓慢的瓶颈。那么，美国的解决方案会如何？示意如图：