從5G開始的無限可能高通用無線電波編織多彩未來

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19世紀末，在人類圍繞電力的近百年集中探究後，電磁波被人類所發現，並在接下來的一個世紀中作爲無線信息通訊的先鋒技術，在從軍用領域的情報加密傳輸，到民用領域的廣播電視應用中都大放異彩，爲人類的歷史進程作出了不可磨滅的貢獻。

隨着時間劃過2000年，通訊設備的小型化和大衆化成爲無線通信的下一個發展方向，到今天，無線通信技術已經更迭了五個代際，人們手中的大哥大也變成了造型纖薄功能全面的智能手機，在這個過程中，我們對無線電頻譜的使用規模也以前人所未想象的速度指數級膨脹。

經歷了從2G到4G的演化，大家切實期待無線技術繼續深度改變生產生活娛樂工作的形態，而不只是作爲一種單純用於傳輸數據的通信手段。這也正是以高通等公司爲代表的通信行業一直以來所致力於達成的目標，而且隨着5G及相關技術的深入推進，以往的設想正快速轉化爲現實。

發掘頻譜礦藏

瞭解過無線通信技術相關背景知識的人應該聽說過香農極限這一概念，簡單來說就是單個信道數據傳輸率越高，產生的噪聲就越多，正確傳輸的概率就越小，最終達到讓編碼算法都無法糾錯的程度，從而成爲無效傳輸。這種類似於熵增一樣的現象無法避免，更加優秀的編碼也只能做到減輕損耗，而且會隨着改進出現越發明顯的邊際效應。

此定律決定了在給定的頻段內，能夠實現的帶寬終究是有限度的，要真正提高整體的承載量，最好的辦法還是擴寬可用的頻譜。在國際電信聯盟所劃定的14個無線電頻帶內，用於通信的波段主要位於長波（kHz級）到毫米波（100GHz級）間，來自衆多不同領域的應用在這個範圍內劃定自己的使用頻段。我們熟悉的手機信號還有Wi-Fi都在其內，例如5G Sub6所使用的頻段在3GHz~6GHz間，而Wi-Fi的頻段則集中在2.4GHz和5.8GHz。

回顧過往手機網絡制式的發展歷程，很容易理解上述文字所陳述的內容：以國內爲例，2G時代三大運營商可用的頻譜也才200MHz不到，而彼時手機聯網應用的巔峯恐怕只是GPRS和彩信；3G時代在2G的基礎上又追加了超過100MHz的頻譜資源，以社交網絡爲代表的移動互聯網纔開始有了雛形；而4G時代爲提高利用效率，在通道拓寬的基礎上，核心調製技術的重要改進也讓視頻娛樂、移動支付、生活便利類應用很快成爲我們不足爲奇的生活要素。

2019年，5G在我國正式商用，所有人都期待新一代的移動網絡技術能帶來新的體驗飛躍，而且這一次不僅只是普通消費者，智能化和AI的方興未艾也使得各行各業期冀5G的廣泛連接特性能夠爲生產工作活動的效率插上翅膀。隨着更多需求的提出，如何在有限頻譜內滿足更多形式的應用，以及未雨綢繆開發更多未使用的頻段，自然就成爲了行業主攻的方向。

由於Sub-6GHz範圍內頻段的擁擠，儘管在5G部署時在中頻段上新劃出了300MHz連續的頻段用於新網絡，但舊網清退存在實際困難，運營商總體上用於構建網絡的資源也僅在1GHz左右。於是近年來對毫米波落地的探索提上議程，我國工信部今年已就24GHz~27.5GHz以及37GHz~42.5GHz超高頻頻帶的毫米波規劃徵求意見，而一部分國家則已先期在60GHz區間開展了毫米波的部署。

擴大行業覆蓋

標誌着5G技術演進進入全新過渡期的3GPP Release 17標準（簡稱3GPP R17）在今年3月完成系統設計，根據原來的規劃，此版本5G標準將會重視mMTC類型應用，將更多的智能設備接入到5G網絡中來，而隨着行業內參與廠商的添磚加瓦，得益於已經實現的諸多進步，3GPP R17成型時包含了不少此前未包含在內的增強特性。

上文中涉及的頻譜擴增就是其中一項。在3GPP R17中，毫米波波段擴展到了71GHz，爲未來的5G版本做好準備，並且新加入了60GHz的免許可頻段。對免許可頻段加以利用是高通之前提出的方法，在Sub-6GHz頻段下就有數個免許可頻段在其驍龍基帶中得到支持，增加頻段的利用率保證傳輸，使得原來的Sub-6GHz範圍擴大到了現在它所強調的Sub-7GHz。

另一個3GPP R17提出的主要增強是RedCap，全稱Reduced Capability，意爲精簡型5G NR，這個輕量級的空口標準主要面向智能可穿戴、工業傳感器、物流跟蹤，智能電網等等一類對物聯網連接較爲敏感的行業應用。RedCap的特點是壓縮佔用的帶寬，把設備所需的帶寬壓到標準5G NR的五分之一到八分之一，由此基於該標準的設備對射頻方面的需要更低，一兩根天線就能滿足通信需要，在連接管理和能耗方面也更爲理想。

圍繞RedCap將帶來的行業覆蓋面進一步擴大，3GPP R17標準把此前集中在車聯網的直連通信特性擴展到了公共安全和更加廣泛的物聯網應用中。所謂直連通信即是兩個終端之間不通過基站直接通過5G連接，在現行的R16版本中，該特性僅限於C-V2X，採用R17版本5G標準的終端，不論其類型都能進行小範圍相互通信或是視距傳輸，對複雜度較低，但數量衆多的物聯網設備場景來說，更能提高它們的組合效果。用離我們生活最近的應用舉例的話，下一個版本的5G智能家居體驗可能會迎來新臺階式的提升。

這些大膽的推進，基於行業在應用部署上所積攢的實踐經驗。以高通爲例，其配合我國工信部提出的“5G揚帆計劃”，總結出的經典物聯網應用案例藍皮書已持續發佈三年。2022年的案例覆蓋健康、物流、城市治理、工業互聯網、零售、交通等方方面面，比如物流方面，快遞小哥手裏的那部特殊的設備有可能就是東集基於驍龍移動平臺打造的；而健康醫療方面該公司還有更先進的驍龍5G醫療手持終端方案，針對醫療機構日常運作的各種場景，提供便利的數據採集、診斷手段。

此外，還有移遠通信、廣翼智聯基於驍龍845和X55 5G基帶的AR/XR方案得到下游廠商採用，實現更加具體的應用形態。如欣享智的美髮魔鏡，讓使用者能用AR來試髮色。而芯訊通和Frontier Connect合作開闢的5G物聯網試驗田，在盧森堡爲農民提供幫助，實時監測農田狀況，及時發現疾病蟲害等問題，並隨時隨地將這些關鍵信息反映到他們的終端上。

扮演幕後功臣的射頻

在這些經典案例的底層，是人眼所看不見的無線電波。如本文第一部分所言，無線通信需要在各自的頻段上進行。如果把頻段比作橋樑，它的兩端則是終端設備的射頻模塊。在我們的設備還沒有那麼多用途化、集成化和一體化之前，終端對射頻模塊的要求往往很簡單，只用支持數個頻段就可滿足需要了。

然而伴隨着移動互聯網的發展，大家在無線終端的使用中對它提出各種各樣的新需要，讓終端射頻的複雜性大大提高：在4G時代的初期，一部手機的基帶和射頻模塊要支持的頻段不到20個；而到現在，一部5G手機的基帶很可能需要面對上萬個頻段組合。這使得通信方案的設計公司不得不採用些額外的手段進行應對，像高通就在其最新的驍龍X70基帶到射頻前端方案中藉助了5G AI天線調諧和包絡追蹤技術，提高頻段利用率並管理能耗。

現代無線終端的射頻系統複雜程度很容易超乎一般人想象，而一般人對射頻部分最能直觀理解的指標就是天線數量。在過去，我們通常會觀察金屬機身邊框上的塑料帶來判斷手機天線的位置和數量，這一土方法對於今天的5G手機來說顯然已經不適用了，因爲單就面向Sub-6GHz頻段便需要至少9根天線，如果再算上毫米波頻段和高性能Wi-Fi，對整個射頻前端的設計要求難度可想而知。