从5G开始的无限可能 高通用无线电波编织多彩未来

从5G开始的无限可能 高通用无线电波编织多彩未来

19世纪末，在人类围绕电力的近百年集中探究后，电磁波被人类所发现，并在接下来的一个世纪中作为无线信息通讯的先锋技术，在从军用领域的情报加密传输，到民用领域的广播电视应用中都大放异彩，为人类的历史进程作出了不可磨灭的贡献。

随着时间划过2000年，通讯设备的小型化和大众化成为无线通信的下一个发展方向，到今天，无线通信技术已经更迭了五个代际，人们手中的大哥大也变成了造型纤薄功能全面的智能手机，在这个过程中，我们对无线电频谱的使用规模也以前人所未想象的速度指数级膨胀。

经历了从2G到4G的演化，大家切实期待无线技术继续深度改变生产生活娱乐工作的形态，而不只是作为一种单纯用于传输数据的通信手段。这也正是以高通等公司为代表的通信行业一直以来所致力于达成的目标，而且随着5G及相关技术的深入推进，以往的设想正快速转化为现实。

发掘频谱矿藏

了解过无线通信技术相关背景知识的人应该听说过香农极限这一概念，简单来说就是单个信道数据传输率越高，产生的噪声就越多，正确传输的概率就越小，最终达到让编码算法都无法纠错的程度，从而成为无效传输。这种类似于熵增一样的现象无法避免，更加优秀的编码也只能做到减轻损耗，而且会随着改进出现越发明显的边际效应。

此定律决定了在给定的频段内，能够实现的带宽终究是有限度的，要真正提高整体的承载量，最好的办法还是扩宽可用的频谱。在国际电信联盟所划定的14个无线电频带内，用于通信的波段主要位于长波(kHz级)到毫米波(100GHz级)间，来自众多不同领域的应用在这个范围内划定自己的使用频段。我们熟悉的手机信号还有Wi-Fi都在其内，例如5G Sub6所使用的频段在3GHz~6GHz间，而Wi-Fi的频段则集中在2.4GHz和5.8GHz。

回顾过往手机网络制式的发展历程，很容易理解上述文字所陈述的内容：以国内为例，2G时代三大运营商可用的频谱也才200MHz不到，而彼时手机联网应用的巅峰恐怕只是GPRS和彩信；3G时代在2G的基础上又追加了超过100MHz的频谱资源，以社交网络为代表的移动互联网才开始有了雏形；而4G时代为提高利用效率，在通道拓宽的基础上，核心调制技术的重要改进也让视频娱乐、移动支付、生活便利类应用很快成为我们习以为常的生活要素。

2019年，5G在我国正式商用，所有人都期待新一代的移动网络技术能带来新的体验飞跃，而且这一次不仅只是普通消费者，智能化和AI的方兴未艾也使得各行各业期冀5G的广泛连接特性能够为生产工作活动的效率插上翅膀。随着更多需求的提出，如何在有限频谱内满足更多形式的应用，以及未雨绸缪开发更多未使用的频段，自然就成为了行业主攻的方向。

由于Sub-6GHz范围内频段的拥挤，尽管在5G部署时在中频段上新划出了300MHz连续的频段用于新网络，但旧网清退存在实际困难，运营商总体上用于构建网络的资源也仅在1GHz左右。于是近年来对毫米波落地的探索提上议程，我国工信部今年已就24GHz~27.5GHz以及37GHz~42.5GHz超高频频带的毫米波规划征求意见，而一部分国家则已先期在60GHz区间开展了毫米波的部署。

扩大行业覆盖

标志着5G技术演进进入全新过渡期的3GPP Release 17标准(简称3GPP R17)在今年3月完成系统设计，根据原来的规划，此版本5G标准将会重视mMTC类型应用，将更多的智能设备接入到5G网络中来，而随着行业内参与厂商的添砖加瓦，得益于已经实现的诸多进步，3GPP R17成型时包含了不少此前未包含在内的增强特性。

上文中涉及的频谱扩增就是其中一项。在3GPP R17中，毫米波波段扩展到了71GHz，为未来的5G版本做好准备，并且新加入了60GHz的免许可频段。对免许可频段加以利用是高通之前提出的方法，在Sub-6GHz频段下就有数个免许可频段在其骁龙基带中得到支持，增加频段的利用率保证传输，使得原来的Sub-6GHz范围扩大到了现在它所强调的Sub-7GHz。

另一个3GPP R17提出的主要增强是RedCap，全称Reduced Capability，意为精简型5G NR，这个轻量级的空口标准主要面向智能可穿戴、工业传感器、物流跟踪，智能电网等等一类对物联网连接较为敏感的行业应用。RedCap的特点是压缩占用的带宽，把设备所需的带宽压到标准5G NR的五分之一到八分之一，由此基于该标准的设备对射频方面的需要更低，一两根天线就能满足通信需要，在连接管理和能耗方面也更为理想。

围绕RedCap将带来的行业覆盖面进一步扩大，3GPP R17标准把此前集中在车联网的直连通信特性扩展到了公共安全和更加广泛的物联网应用中。所谓直连通信即是两个终端之间不通过基站直接通过5G连接，在现行的R16版本中，该特性仅限于C-V2X，采用R17版本5G标准的终端，不论其类型都能进行小范围相互通信或是视距传输，对复杂度较低，但数量众多的物联网设备场景来说，更能提高它们的组合效果。用离我们生活最近的应用举例的话，下一个版本的5G智能家居体验可能会迎来新台阶式的提升。

这些大胆的推进，基于行业在应用部署上所积攒的实践经验。以高通为例，其配合我国工信部提出的“5G扬帆计划”，总结出的经典物联网应用案例蓝皮书已持续发布三年。2022年的案例覆盖健康、物流、城市治理、工业互联网、零售、交通等方方面面，比如物流方面，快递小哥手里的那部特殊的设备有可能就是东集基于骁龙移动平台打造的；而健康医疗方面该公司还有更先进的骁龙5G医疗手持终端方案，针对医疗机构日常运作的各种场景，提供便利的数据采集、诊断手段。

此外，还有移远通信、广翼智联基于骁龙845和X55 5G基带的AR/XR方案得到下游厂商采用，实现更加具体的应用形态。如欣享智的美发魔镜，让使用者能用AR来试发色。而芯讯通和Frontier Connect合作开辟的5G物联网试验田，在卢森堡为农民提供帮助，实时监测农田状况，及时发现疾病虫害等问题，并随时随地将这些关键信息反映到他们的终端上。

扮演幕后功臣的射频

在这些经典案例的底层，是人眼所看不见的无线电波。如本文第一部分所言，无线通信需要在各自的频段上进行。如果把频段比作桥梁，它的两端则是终端设备的射频模块。在我们的设备还没有那么多用途化、集成化和一体化之前，终端对射频模块的要求往往很简单，只用支持数个频段就可满足需要了。

然而伴随着移动互联网的发展，大家在无线终端的使用中对它提出各种各样的新需要，让终端射频的复杂性大大提高：在4G时代的初期，一部手机的基带和射频模块要支持的频段不到20个；而到现在，一部5G手机的基带很可能需要面对上万个频段组合。这使得通信方案的设计公司不得不采用些额外的手段进行应对，像高通就在其最新的骁龙X70基带到射频前端方案中借助了5G AI天线调谐和包络追踪技术，提高频段利用率并管理能耗。

现代无线终端的射频系统复杂程度很容易超乎一般人想象，而一般人对射频部分最能直观理解的指标就是天线数量。在过去，我们通常会观察金属机身边框上的塑料带来判断手机天线的位置和数量，这一土方法对于今天的5G手机来说显然已经不适用了，因为单就面向Sub-6GHz频段便需要至少9根天线，如果再算上毫米波频段和高性能Wi-Fi，对整个射频前端的设计要求难度可想而知。

而谈及射频，高通总是那个让人又爱又恨的避不开的巨头。凭借深厚的经验积累，高通在这方面一直是行业的领头羊，其骁龙X65基带搭配5G毫米波射频前端到天线的完整方案设计在业内首屈一指，上文中所涉及的案例有相当部分都受益于一体化基带射频系统的优势。

高通在上个月末还更新了旗下射频前端，将蓝牙、Wi-Fi 6E，甚至下一代技术Wi-Fi 7也纳入射频系统设计方案中，并实现5G和Wi-Fi共存并发，使方案的应用范围更加灵活，意欲进一步增强它在物联网无线通信方面的实力。

结语

围绕频谱、射频，5G空口的技术进化仍在持续，从4G到5G我们看到了这一无线通信基础部分的显著进步，可以推定，5G时代的众多创新只是一个开头，随着应用形式的更加广泛化，无线标准和相应技术的不断升级，由高通等行业先锋们所引领的无线未来，必定会变得更加丰富多彩。