MIMO和波束成形这对兄弟，是5G的左臂右膀

JonhLee

对于2018年的5G网络来说，最重要的五大无线技术中的两个—多重输入多重输出(MIMO)和波束成形(beamforming)——对5G网络一直都非常重要。MIMO和波束成形
对于LTE/4G，业界正接近时间和频率利用的理论极限。5G无线技术的下一步是利用空间维度，透过向不同方向发射严格聚焦的讯号，尽可能频繁地同时使用任何给定频率。业界在将这两项技术用于5G时，尚需克服挑战。2017年，这两个主题一直在进步和变化，2018年在这两方面可能会看到更多。
MIMO描述了在发送端和接收端将越来越多的天线聚合进越来越密集的数组，以创建更多的数据串流层。同时，波束成形和与波束跟踪紧密相关的技术是将每个讯号引导到接收器的最佳路径上，同时避免讯号干扰。
波束成形将使MIMO效率更高。不过，要应用在5G网络系统，这两种技术都需要做进一步改进。

图1 5G将依靠天线数组来提供大量的输入和大量输出(或称MIMO)；波束成形将讯号引导到特定设备。(图片来源：T-Mobile)
物理上缩小天线尺寸仍困难重重；针对5G的MIMO数组非常大(这是2020年之前，也许更晚，实际的5G智能型手机都不太可能问世的原因之一)。大多数现存的数组功耗仍太高，以致不完全实用。
波束成形的本质正如其名，但该术语并没有蕴含涉及的复杂性。在4G中，发射器对接收器进行三角定位；在5G中也是如此，但在5G中，发射器也将能映射物理环境，然后不仅计算多径反弹，而且计算如何错开讯号流，以不干扰同步讯号的方式来利用多路径。当发射器和接收器中的任一个或两个都在移动时，任务变得更困难。所有这些又都因5G无线的下一个重要方面中的额外固有技术挑战而更加棘手。

图2 讯号必须沿着高度和方位角两个维度去引导，使波束成形的任务复杂化。(图片来源：Qorvo)毫米波(mmWave)
毫米波(mmWave)
最初为5G分配的频率在6GHz已拥挤不堪。世界各地不同司法管辖区最近分配给5G服务的频谱大多分布于各毫米波频率。
毫米波范围是从30G~300GHz。世界范围内新的5G频谱分配，范围从20几GHz(例如26GHz和28GHz，它们技术上不是毫米波，但通常被归入该类)，到30G~40GHz内的几个频段和40G~50GHz内的几个频段。有一个60GHz的Wi-Fi频段可用于5G无线，其他更高的频率正在考虑中。

图3 毫米波范围(30~300GHz)附近和以内的频谱特别适合于更高的数据速率，尽管有缺陷，但却有吸引力。(数据源：Ericsson)
一方面，这些较高频率的讯号将支持比5G规定高得多的数据速率。为提高其迄今为止已设法实现的频谱效率，业界仍然有工作需进行。另一方面，毫米波讯号的传输速率明显低于期望。毫米波讯号及6GHz以下讯号不能传得很远，也不能穿透障碍物。
一般来说，5G的许多组件仍然昂贵，在毫米波频谱尤其如此。随着规模经济拉动并基于未来可能的创新，进一步的整合将肯定使成本下降。
在以前的无线网络演进中，基本的目标任务是把数据送到手机。没错，这是从简单的电话开始，并发展到增加宽带接入；其他类型的设备是由4G/LTE网络支持，但绝大多数的无线网络使用是向手机收发数据，但这将随着5G而改变。5G将成为许多物联网(IoT)应用的使能技术，但同样重要的是，这些物联网应用将有助于证明5G演进的正确性。包括物联网在内的用例实际上内置于5G技术发展蓝图中，这是5G市场发展的内在。
虽然许多物联网设备将直接连接到5G，但其他的不会。许多物联网应用将依赖大量简单、便宜的传感器或其他相对简单的设备。这些设备可能要求低功耗或超低功耗，可能要求也可能不要求低延迟，可能需要也可能不需要彼此通讯，产生(也可能收到)的数据量可能会因设备的不同而差异巨大，且它们可能需要进行实时不停的轮询，也可能一天、一周、甚至一月才轮询一次。
在许多这些应用中，5G连接不仅是技术上的过度浪费，而且还太昂贵，以致于它们中有许多在经济上不可行。这就是为什么下一项技术介绍也对5G市场非常有用。
低功耗广域网(LPWAN)
在许多物联网应用中，大批设备将透过专门为LPWAN设计的一些无线技术连接到基地台，基地台又将连接到高速高带宽的网络。该网络可能是5G，但不一定；4G连接有时就足够了——有时候3G就可以。附近有有线接入也可以，它也许同样有用(如果不是更理想的话)，只是在很多地方，附近没有有线网络，这就有利于5G网络连接被采用。
目前有几种LPWAN选择。它们包括LoRaWAN、Sigfox、Weightless、NB-IoT、LTE-M、Ingenu和Symphony Link。下一个版本的Wi-Fi 802.11ax在规范中有低功耗选项，它也可能加入其中。
一些LPWAN技术是专有技术，另一些则是更具包容性的开发过程的结果，它们的开放程度不同。现在判断哪一个会变得流行还为时过早，但可以肯定的是：LPWAN的无线选择比市场可能长期容纳的要多。
网状网络(Mesh networking)
在一些物联网应用中，使用无线传输技术不仅适用于连接大量简单便宜的设备，而且还适用于其彼此互连，这就是网状网络的天下。一些LPWAN技术一开始并没有提供网状网络支持，但现在几乎所有的技术都已提供。
网状网络并不是LPWAN独有，它已经被纳入无线局域网络(WLAN)技术。ZigBee和Thread一开始就支持网状网技术，蓝牙(Bluetooth)最新版本已经增加，下一个版本的Wi-Fi也将拥有网状网络技术。Wi-Fi的下一版本称为802.11ax，也叫做Max(观察「11ax」，反转第一个1，它就面朝另一个方向。懂了吗？)。
无线网状网络当然可以在5G中有用。在所有连接设备都是静止的局域网络中，网状网络尚不能容易地做好；考虑到移动的设备(行走的人、无人机、汽车)，则难度加剧。业界正在开始使5G支持网状网络的工作。

图4 网状网络将有助于设备互连。一种可能的用途是车对车(V2V)通讯。(数据源：密西根理工大学，Michigan Technological University)