美国4G居然比中国5G还要快?6个回答让小白也能弄懂5G

通过LTE载波聚合可以实现160Mhz的带宽,要比中国联通和电信的5G带宽还要高。因此高通目前推进的5G路线中,千兆级别的LTE将会是重要的一个过渡阶段。

  • 5G与4G到底有哪些区别?

从4G到5G,给普通消费者最大的感受变化就是速度一会儿加快了,而通信速率的变化主要取决于带宽。相比4G单载波最高20Mhz的带宽,5G带宽在6Ghz以内单载波最高可以做到100Mhz,毫米波最高可以做到400Mhz带宽。

如果上面这段你看不懂的话,可以将4G和5G理解成高速公路,不同的带宽看成路面的宽度。如果4G是4车道的高速公路,5G则可能是20车道的高速公路,路面更宽了,车流速度自然提升了。

由于5G通信比4G拥有超级大的带宽、非常高的功率放大器线性度,以及广泛的载波聚合驱动型频率的拥堵,导致5G射频器件极其复杂。

那么如何拓展带宽呢?其实4G理论的做法是MIMO多载波聚合的方式,也就是相当于多建几个车道的高速公路。比如LTE单载波是20Mhz的话,上行最多可以做到3载波聚合,也就等于60Mhz带宽。当然这个只是理论上,实际应用中这一点还没有实现。

到了5G单载波就可以做到100Mhz,5G基站一般采用64 TRX Massive MIMO天线,5G手机至少需要支持4×4的下行MIMO,2×10的上行MIMO天线,这意味着未来5G峰值速率至少将达到1Gbps以上。所以5G不止是20车道的高速公路,还是添加了立交桥的立体多层交通系统。

由于4×4的天线阵列尺寸会大很多,因此射频模块化将会是5G射频器件的一个趋势。同时由于天线过多,需要支持SRS功能,在发射过程中选择不同的天线。为了支持更多的载波聚合,对于天线分工的需求会大大增加,同时需要用到大量的天线调谐技术。

一个天线阵列包括毫米波和功率放大器,天线阵列取决于手机尺寸。4G时代因为对应频段多,因此滤波器也多。到了5G只增加两个新的频段,3.5Ghz\4.8Ghz,所以滤波器没有太多增长。5G最大的改变是天线的增加,带来天线分工器。

光把车道拓宽了不够,要增加传输效率,还需要对车辆本身做调整。这里就要提到另一个通信相关的空口技术:3G时代的空口技术是CDMA,4G时代是OFDM,5G时代则是F-OFDM。

到了5G时代,各种不同的应用之间差异很大,比如端到端1ms时延的车联网业务,要求极短的时域Symbol和TTI,这就需要频域较宽的子载波带宽;而物联网的多连接场景,单传感器传送数据量极低,但对系统整体连接数要求很高,这就需要在频域上配置比较窄的子载波带宽。OFDM的时频资源分配是已经固定的15KHz,就如同一列火车车厢,上面都是已经分配好的固定的硬座。不管你是什么乘客,有没有钱,都只能坐一样大小的硬座。这种分配方式显然不够经济,5G的F-OFDM则更加灵活,可以根据乘客的具体需求灵活定制,不管是硬座、硬卧、包厢、商务座,想怎么调整都行。

5G时代,以上不管是天线的增加、还是采用F-OFDM,都需要对PA重新设计,采用新的射频器件,自然需求量就要大大增加了。

  • 为什么说频谱是5G之血?

刚才提到了5G时代,硬件的射频器件的重要性,但其实还应该重点提一下通信频段的稀缺和重要性。

频谱是5G的血液,5G频段的确定意味着全国范围的大规模5G试验即将展开, 5G赛道正式铺开。

如果把5G通信传输比喻为20条车道的高速公路,那么你首先要有路给你修。频段资源就是路。路的宽度也是有限的,只能被有限的车辆占用,比如消防车、救火车等重要的车辆通过,其他车辆能使用的路面就会变窄。对于不同国家来说,频段资源的划分各不相同。比如欧美国家频段是用来拍卖的,而在中国的频段是通过行政划分的。

 

FR1频段的频率范围是450MHz——6GHz,又叫sub 6GHz频段;FR2频段的频率范围是24.25GHz——52.6GHz,人们通常叫它毫米波(mmWave)。

各国5G-NR商用所有的FR1频段。n77、n79,都是新的专门为了5G 6GHz以内新定的频段。目前5G主要国家是中国、美国、日本、韩国,不同的频段资源代表各国运营商会采用不同的网络策略。

4G时代的频段号以B来代表band,5G时代的频段号以N代表new radio。可以看到有一部分LTE频段的带宽也可以做到130Mhz以上。

其中中国的FR1频段主要包括3.3~3.5G,4.8~5G。

根据3GPP R15协议中国移动将主要采用2515Mhz~2675Mhz的频段,带宽160Mhz。这个频段号为n41,其实这个频段以前属于4G LTE,现在重耕以后作为5G频段。另一个频段则采用4800Mhz~4900Mhz,带宽100Mhz,频段号为n79。N79是为了5G新增加的频段。中国联通和中国电信则将主要采用n78频段来建设5G。

中国电信和中国联通获得的3.5GHz频段是全球公认的5G热门频段,且韩国、日本、英国等多国运营商已确定采用该频段建设5G,前期已基于3.5G频段进行了大量测试,所以不必担心产业链是否成熟的问题。

中国移动采用的n41频段属于4G 重耕,n79则是新增加的频段。美国的运营商Sprint也确定用n41频段部署5G。

  • 广电5G到底是什么?

除了三大运营商,传言还有一个广电会拿到700Mhz的频段进行5G重耕。

10月25日这个消息得到官方确认。中国广电将得4.9GHz频段50MHz频谱,并将700MHz频段的96MHz带宽由工信部划归IMT使用。

运营商建网覆盖率很重要,从覆盖率来看广电这么多年建设的700Mhz频段是中国最好的。但是700Mhz的频段是非常窄的,传输速率不会很高。加上广电没有传统的2G、3G、4G网络。因此基于4G场景下的语音场景方式还实现不了。

  • 为什么韩国5G全球最快商用?

在5G商用中,目前最领先的是日韩,比如4G LTE商用最先开始的就是韩国。韩国是第一家做载波聚合的市场;另外韩国的频谱资源划分较快,韩国采用频谱拍卖的方式,日本则采用频谱授权方式。

由于韩国的频谱资源最快确定,加上韩国市场三星也是5G的重要参与者,因此三星第一个5G商用可以理解。不过三星的5G商用目前主要是固定通信,移动通信目前还做不到。

  • 为什么美国5G要先上毫米波?


随着移动通信的飞速发展,30GHz之内的频率资源几乎被用完了。各国政府和国际标准化组织已经把所有的“好”频率都分配完毕,但还是存在频率短缺和频率冲突。

美国的频段主要是3.5G到3.7G,150Mhz带宽,由于缺乏频谱,目前美国运营商在2020年前重点在毫米波,主要在28Ghz。美国目前已经商用毫米波的应用,这个场景叫固定无线接入设备FWA,并不是传统意义上移动终端的应用场景。除了美国,日本、韩国也会商用6Ghz以内的毫米波。毫米波可以实现5G宣称的10Gbps或者20Gbps的速率。

另外一点是,美国还存在大量的LTE频段以及非授权的LA频段,可以通过LTE来做载波聚合,速率可以做到很快。通过LTE载波聚合可以实现160Mhz的带宽,要比中国联通和电信的5G带宽还要高,速率可以做到2`3Gbps,这一点中国是做不到的。因此高通目前推进的5G路线中,千兆甚至几千兆级别的LTE将会是重要的一个过渡阶段,可以做到2.5~3Gbps的速率。

此外中国LTE就算采用MIMO载波聚合的方式,最多只能做三载波,也就是3CC。3CC意味着你聚合起来的频谱大概只有60Mhz,而美国因为频谱足够多,可以做6CC、7CC、8CC的载波聚合。一个CC聚合20Mhz,光LTE频段就可以聚合到160Mhz。所以从这个角度来看,美国4G LTE的最高速率是要超过中国联通、电信运营商的5G速率的,因为这两家只能拿到100Mhz的5G频宽。

当然,正因为中国的LTE相比美国LTE在频段上处于弱势,所以更要跳跃式的发展5G通信,才有可能在未来获得弯道超车的机会。在中国4G的用户体验速率,最多可能就150Mhz下行,在美国能达到1GbPS了,这完全是不一样的体验速率。意味着同比较4G,中国4G就落后于美国4G一档体验。

从这个角度,中国要尽早上5G,实现弯道超车。

  • 砷化镓在5G射频中的应用?


砷化镓(GaAs)属于第二代半导体材料。砷化镓半导体具备高工作频率、电子迁移速率、抗天然辐射及耗电量小等特性,它最大的特点是拥有极高的电子迁移率(8000cm2/(V·s))(是硅材料7倍多)。随着半导体应用不断向高频扩展,原本用硅材料制作的晶体管,其电流增益在工作频率大于1GHZ时 就下降严重,无法再实现高频下信号放大的作用。在高频信号快速变化的情况下,砷化镓中的电子能及时跟随信号作出响应,用砷化镓做衬底制作的器件非常适合用在3C产品的射频领域。

Qorvo目前主要用砷化镓来做PA,好处是减小毫米波模块尺寸。由于砷化镓材质下PA输出能力足够大,因此砷化镓的天线阵列尺寸可以更高,效率要更高。

2013年,高通曾经在射频领域强推SOI(绝缘体硅)工艺,一度曾让用户只能选择RF360前端,不过硅工艺始终无法实现高频PA所需要的性能。目前高通可能采用的是SOI+砷化镓的工艺来做PA,因为已收购了两家砷化镓工厂。

另一方面,全球第2大半导体制造商博通旗下Avago以1.85亿美元入股砷化镓(GaAs)厂稳懋,Avago将跃升为稳懋第三大单一大股东。博通一直积极想跨入5G布局,可预期未来所有新应用都会在5G架构上延伸。

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