5G毫米波移動通信系統(tǒng)部署場景分析和建議

張忠皓，李福昌，延凱悅，高 帥（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048）

1 概述

毫米波一般是指波長1~10 mm、頻率30~300 GHz的電磁波。相較于低頻段，毫米波頻段有豐富的帶寬資源，并且由于傳播特性和波束賦形方面的特點(diǎn)，毫米波從50年代開始就被用于雷達(dá)等軍事方面，隨著毫米波器件工藝材料進(jìn)步和技術(shù)民用化發(fā)展，出現(xiàn)了車載毫米波雷達(dá)和毫米波成像技術(shù)，被廣泛用于交通、醫(yī)療、安檢等領(lǐng)域。

毫米波在移動通信發(fā)展初期并不是通信行業(yè)的首選，一方面是由于4G之前的移動通信帶寬要求不高，6 GHz以下的窄帶寬已經(jīng)足夠滿足需求；另一方面由于蜂窩移動通信有規(guī)模連續(xù)組網(wǎng)的特點(diǎn)，采用傳播距離較短的毫米波部署將需要投入更多的建站成本。

但是近年來快速發(fā)展的移動通信業(yè)務(wù)對通信帶寬的需求急速提升，按照2015年ITU-R WP5D發(fā)布報告M.2083（5G愿景）定義的系統(tǒng)需求，5G將支持至少100 Mbit/s~1 Gbit/s的邊緣用戶體驗速率，10~20 Gbit/s的系統(tǒng)峰值速率。相對于提高頻譜利用率，增加頻譜帶寬以提高系統(tǒng)峰值速率的方法更簡單直接。但是，6 GHz以下頻率資源匱乏，很難找到連續(xù)的大帶寬滿足5G系統(tǒng)需求。移動通信行業(yè)的目光開始向高頻段轉(zhuǎn)移，毫米波開始成為移動通信發(fā)展的重要研究方向。

毫米波頻段可以構(gòu)建高達(dá)800 MHz的超大帶寬通信系統(tǒng)，通信速率高達(dá)10 Gbit/s，可以滿足ITU對于5G通信系統(tǒng)的要求。3GPP在2016年初公布了毫米波信道模型的技術(shù)報告3GPP TR 38.900，明確了毫米波頻段作為5G戶外通信頻段的可行性。目前，毫米波已經(jīng)作為3GPP 5G移動通信系統(tǒng)的必要組成部分。

相對于6 GHz以下頻段，5G毫米波落地應(yīng)用還有很多問題有待解決和進(jìn)一步完善，如高頻器件性能、電磁兼容問題、波束賦形和波束管理算法、鏈路特性等方面。另一方面，運(yùn)營商和行業(yè)也開始從系統(tǒng)應(yīng)用角度考慮5G毫米波部署和應(yīng)用問題。但是部署和應(yīng)用的相關(guān)研究還比較分散，尚未形成明確的5G毫米波移動通信系統(tǒng)應(yīng)用方向和具體的部署方案。

目前國內(nèi)6 GHz以下5G系統(tǒng)已經(jīng)從試驗網(wǎng)向商用轉(zhuǎn)變，5G毫米波也需要適時開始進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)劃，移動通信行業(yè)急需運(yùn)營商明確5G毫米波NR系統(tǒng)未來的整體需求，明確設(shè)備、終端的開發(fā)計劃。運(yùn)營商也需要向行業(yè)發(fā)布明確的信號，推動毫米波產(chǎn)業(yè)鏈成熟，為未來部署做好準(zhǔn)備。

本文首先從5G毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀著手，從頻譜、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)鏈、部署情況幾個方面對毫米波產(chǎn)業(yè)成熟度進(jìn)行分析。其次，在對當(dāng)前毫米波設(shè)備進(jìn)行摸底測試基礎(chǔ)上，明確毫米波設(shè)備容量和覆蓋能力，從網(wǎng)絡(luò)部署角度提出5G毫米波部署場景和部署方案建議；最后，從網(wǎng)絡(luò)部署需求角度，對毫米波產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展方向提出建議。

2 5G毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 5G毫米波頻譜分配情況

頻譜是移動通信產(chǎn)業(yè)最為寶貴的資源，任何一代移動通信技術(shù)的正式商用，都必須獲取一定的頻譜資源。國際電聯(lián)（ITU）在2019年世界無線電大會（WRC-19）研究周期內(nèi)專門設(shè)立了TG 5/1工作組，負(fù)責(zé)1.13議題的研究工作，即為5G系統(tǒng)在毫米波頻段研究確定可使用的頻譜資源，目前TG 5/1工作組已經(jīng)完成了2019年世界無線電通信大會準(zhǔn)備會會議文件（CPM報告）中關(guān)于1.13議題的相關(guān)內(nèi)容。這意味著WRC-19將對毫米波頻段提出明確的頻段建議。

當(dāng)前，美國、韓國、日本等國家已陸續(xù)完成5G高頻頻譜的劃分與拍賣，5G商業(yè)部署前景明朗，拍賣情況如表1所示。

歐盟在2018年7月已經(jīng)明確24.25~27.5 GHz頻段用于5G，建議歐盟各成員國在2020年底前在26 GHz頻段至少保障1 GHz頻譜用于移動/固定通信網(wǎng)絡(luò)。此外，歐盟將繼續(xù)研究32G（31.8~33.4 GHz）和40G（40.5~43.5 GHz）等其他高頻段。英國、德國等國家已經(jīng)確認(rèn)了5G中高頻待分配或待招標(biāo)的頻段（見表2）。

表1 美、日、韓5G高頻頻譜拍賣情況

從上述5G毫米波頻段的規(guī)劃和拍賣中可以看出，毫米波部署初期，大多數(shù)國家將注意力都集中在26 GHz和28 GHz這2個頻段上，在這2個頻段上投入的資源也是最多的。

我國工業(yè)和信息化部于2017年7月批復(fù)24.75~27.5 GHz和37~42.5 GHz頻段用于我國5G技術(shù)研發(fā)毫米波實驗頻段，試驗地點(diǎn)為中國信息通信研究院MT?Net試驗室以及北京懷柔、順義的5G技術(shù)試驗外場。但是目前毫米波頻譜的具體規(guī)劃仍未正式發(fā)布。

2.2 5G毫米波標(biāo)準(zhǔn)化情況

在3GPP中毫米波頻段的射頻標(biāo)準(zhǔn)討論和制定工作由3GPP RAN4牽頭開展，研究分為2個階段：第1階段研究40 GHz以下的頻率，以滿足較為緊急的商業(yè)需求，于2018年12月完成。第2階段計劃從2018年開始，到2019年12月完成，該階段專注于最高100 GHz的頻率，以全面實現(xiàn)IMT-2020的愿景。

5G頻段具有多樣性，一般稱之為低頻（6 GHz以下）和高頻（24.25~52.6 GHz），第1階段頻譜分配定義了52.6 GHz以下的毫米波頻譜（見表3）。

在3GPP中，上述毫米波頻段和3.5 GHz的NR系統(tǒng)是同步標(biāo)準(zhǔn)化的，目前已經(jīng)形成2018-12-30的R15版本。R16版本正在討論中，并將在2019年6月固化。

表2 英、德待拍賣5G高頻頻譜

表3 3GPP毫米波頻段號定義

2.3 5G毫米波產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況

總體上看，毫米波產(chǎn)業(yè)鏈還處于初級階段，距離成熟商用還有一段距離。

毫米波基帶部分與5G低頻段設(shè)備具有相同成熟度，但是射頻相關(guān)的功能和性能較5G低頻段設(shè)備有較大差距。毫米波頻段通信面臨的挑戰(zhàn)主要在于高頻核心器件，主要包括功率放大器、低噪聲放大器、鎖相環(huán)電路、濾波器、高速高精度數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器、陣列天線等。此外，作為5G高頻段通信系統(tǒng)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵步驟，低成本、高可靠性的封裝及測試等技術(shù)也至關(guān)重要。在測試方面，5G毫米波的射頻測試將難以采用傳統(tǒng)的連線測試，只能采用OTA的測試方法。OTA的測試方法和測試技術(shù)雖然在快速發(fā)展中，但是目前尚未制定完成。

主設(shè)備方面，由于目前北美和日韓已經(jīng)開始部署毫米波系統(tǒng)，所以廠家設(shè)備頻段以北美和日韓頻段為主。設(shè)備可以支持基本功能，但是部分功能如波束管理、移動性等有待進(jìn)一步完善。

芯片和終端的進(jìn)度總體上落后于設(shè)備。

英特爾（Intel）于2017年11月發(fā)布了XMM 8060 5G多模基帶芯片，該芯片同時支持6 GHz以下頻段和28 GHz毫米波頻段。高通已經(jīng)能夠提供商用的毫米波終端芯片X50和X55，天線模組QTM525。

高通公司目前已具備測試終端MTP8510-5G，頻點(diǎn)為N257A或者N261（28 GHz頻段）。在商用終端方面，OPPO/VIVO/ZTE預(yù)計2019年底將推出X55芯片樣機(jī)終端，商用終端預(yù)計2020年出現(xiàn)。

我國在高性能高頻器件、原型系統(tǒng)驗證等方面還存在較大差距，需要進(jìn)一步開展創(chuàng)新性研究與開發(fā)工作。

3 5G毫米波系統(tǒng)性能測試情況

3.1 5G毫米波峰值速率測試

5G毫米波的峰值速率與帶寬、幀結(jié)構(gòu)、支持的流數(shù)、調(diào)制階數(shù)等因素有關(guān)。

在毫米波外場測試中，在近點(diǎn)進(jìn)行了毫米波小區(qū)峰值容量測試。測試結(jié)果如表4所示。其中，系統(tǒng)支持4流，采用幀結(jié)構(gòu)DDDS，即3個連續(xù)的下行slot、1個特殊slot（配比為0∶2∶12）。

從外場測試結(jié)果可以看到，5G毫米波系統(tǒng)在800 MHz帶寬情況下，小區(qū)下行峰值速率可以達(dá)到9.31 Gbit/s，上行峰值速率可以達(dá)到1.91 Gbit/s。

3.2 5G毫米波拉遠(yuǎn)測試

5G毫米波的覆蓋能力與設(shè)備的EIRP、系統(tǒng)靈敏度等因素有關(guān)。

在毫米波外場測試中，在LOS徑環(huán)境下進(jìn)行視距道路拉遠(yuǎn)，SSB_RSRP和下行吞吐率情況如圖1所示。其中，采用幀結(jié)構(gòu)DDDS，EIRP為58 dBm。

從外場測試結(jié)果可以看到，5G毫米波系統(tǒng)在1.1 km距離SSB_RSRP維持在-100 dBm以上，速率為200 Mbit/s。

3.3 5G毫米波穿透性能測試

在毫米波外場測試中，對不同遮擋物、不同情況的毫米波穿透損耗進(jìn)行測試，結(jié)果如表5所示。

測試中可以看到，毫米波基本不具備穿透混凝土承重墻的能力。本次外場沒有進(jìn)行雨雪等惡劣天氣對于毫米波影響的測試，根據(jù)對毫米波雨衰的分析，降雨對毫米波影響很大，毫米波速率有較大下降。通過理論分析和實際測試，毫米波穿透損耗較6 GHz以下頻段更高。

圖1 下行拉遠(yuǎn)距離與SSB_RSRP和速率情況

表4 上下行、不同帶寬、不同調(diào)制方式下的近點(diǎn)速率

表5 5G毫米波穿透性能損耗

表6 5G高低頻混合組網(wǎng)典型場景

4 5G毫米波部署場景分析

4.1 5G高低頻混合組網(wǎng)

新一代移動通信的覆蓋部署范圍具有核心城市-主要城市-城市-鄉(xiāng)村逐步覆蓋的規(guī)律，在部署初期均是與其他通信系統(tǒng)結(jié)合，覆蓋品牌價值區(qū)域，或者解決高熱場景的業(yè)務(wù)需求。5G通信系統(tǒng)也遵循上述部署規(guī)律，部署初期將與LTE系統(tǒng)進(jìn)行混合組網(wǎng)提供高速率大帶寬服務(wù)。

從產(chǎn)業(yè)鏈成熟和網(wǎng)絡(luò)部署進(jìn)度角度考慮，國內(nèi)5G毫米波系統(tǒng)商業(yè)部署時間點(diǎn)比6 GHz以下頻段5G系統(tǒng)晚2年左右，屆時5G 6 GHz以下頻段系統(tǒng)預(yù)計已經(jīng)完成大部分城市重點(diǎn)區(qū)域覆蓋。所以5G毫米波系統(tǒng)部署時，將與6 GHz以下頻段的5G系統(tǒng)結(jié)合，形成5G系統(tǒng)高低頻混合組網(wǎng)方式，用于重要品牌價值區(qū)域的覆蓋，提升品牌價值，或者用于人流密集場所和熱點(diǎn)區(qū)域的吸熱，提供進(jìn)一步的大容量上傳能力。

在具體組網(wǎng)方式方面，5G毫米波系統(tǒng)可以根據(jù)需求與5G低頻系統(tǒng)共站址部署或拉遠(yuǎn)部署，提供精準(zhǔn)覆蓋，需要具備較強(qiáng)的系統(tǒng)間、頻段間的互操作功能和移動性管理功能。根據(jù)具體部署場景，需要毫米波宏站、毫米波微站、毫米波微RRU、毫米波分布式微站等多種形態(tài)的設(shè)備。在終端方面，需要支持3G/4G/5G高低頻的多模多頻終端。

從毫米波傳播特性和覆蓋能力考慮，5G毫米波適合部署在相對空曠無遮擋或少遮擋的室外和室內(nèi)環(huán)境。

典型的部署場景和具體需求如表6所示。

4.2 大帶寬回傳

毫米波頻點(diǎn)較高、波長較短，可以在相同面積實現(xiàn)更多天線陣列布防，波束能量更集中。并且5G毫米波系統(tǒng)可以提供高達(dá)800 MHz帶寬、10 Gbit/s的系統(tǒng)峰值速率，使毫米波可以作為無線回傳鏈路，解決一些場景無法布放光纖或布放光纖代價過高的問題。

在具體組網(wǎng)方式方面，5G毫米波系統(tǒng)采用SA獨(dú)立頻點(diǎn)組網(wǎng)，作為其他無線通信系統(tǒng)中的回傳鏈路，采用宏站提供足夠的覆蓋距離，鏈路兩端設(shè)備相互精準(zhǔn)覆蓋，布放后無需移動，建立鏈路后保持連接狀態(tài)。系統(tǒng)需要接入管理功能，需要部分無線資源調(diào)度管理功能，無需移動性管理功能，功能實現(xiàn)較高低頻混合組網(wǎng)簡單。

另一種大帶寬回傳方式是毫米波自回傳：一方面作為基站為終端提供服務(wù)，一方面通過站間對打?qū)崿F(xiàn)無線回傳，這種方式可以作為無法布放光纖回傳時的靈活解決方案。

從毫米波傳播特性和覆蓋能力考慮，需要保證鏈路上無遮擋，并且需要充分考慮惡劣天氣，如雨、雪、霧對毫米波的影響。典型的部署場景和具體需求如表7所示。

4.3 園區(qū)專網(wǎng)

5G毫米波系統(tǒng)頻段在采用高低頻混合組網(wǎng)為公眾用戶提供大帶寬服務(wù)之外，還可以將頻點(diǎn)單獨(dú)規(guī)劃，提供面向行業(yè)用戶的業(yè)務(wù)專網(wǎng)服務(wù)。

5G毫米波系統(tǒng)具有大帶寬、低時延的特點(diǎn)，如果與MEC相結(jié)合，可以更好地釋放MEC技術(shù)的特點(diǎn)，同時MEC也可以為毫米波系統(tǒng)疊加豐富多樣的增值服務(wù)，為毫米波網(wǎng)絡(luò)賦能。在MEC平臺基礎(chǔ)上，引入AI技術(shù)，將業(yè)務(wù)與AI結(jié)合，則可以為覆蓋區(qū)域提供“大容量高速率+本地化”的智能解決方案，滿足行業(yè)客戶低時延、大帶寬、安全隔離的需求。

表7 大帶寬回傳典型場景

在具體組網(wǎng)方式方面，5G毫米波系統(tǒng)采用SA獨(dú)立頻點(diǎn)組網(wǎng)，對園區(qū)提供信號深度覆蓋，系統(tǒng)需要具備較強(qiáng)的移動性管理功能。根據(jù)具體部署場景，需要毫米波宏站、毫米波微站、毫米波微RRU、毫米波分布式微站等多種形態(tài)的設(shè)備。在終端方面，需要根據(jù)專網(wǎng)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行定制，如定制化CPE、功能終端、公網(wǎng)專網(wǎng)混合終端。

專網(wǎng)管理平臺和MEC邊遠(yuǎn)計算平臺是園區(qū)專網(wǎng)的重要部分，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和數(shù)據(jù)流如圖2所示。

圖2 毫米波專網(wǎng)架構(gòu)和數(shù)據(jù)流示意圖

從毫米波傳播特性和覆蓋能力考慮，5G毫米波適合部署在相對空曠無遮擋或少遮擋的園區(qū)環(huán)境。典型的部署場景和具體需求如表8所示。

5 5G毫米波產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展建議

5.1 盡快出臺5G毫米波頻譜規(guī)劃

表8 園區(qū)專網(wǎng)典型場景

頻譜是移動通信產(chǎn)業(yè)最根本的生命線，推動5G毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展，首先需要國內(nèi)明確毫米波頻譜規(guī)劃和劃分。

在工信部無線電管理局《2019年全國無線電管理工作要點(diǎn)》中明確提出“適時發(fā)布5G系統(tǒng)部分毫米波頻段頻率使用規(guī)劃，引導(dǎo)5G系統(tǒng)毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展”。5G毫米波頻譜規(guī)劃有望在2019年出臺。

5.2 5G毫米波設(shè)備發(fā)展建議

5.2.1 設(shè)備形態(tài)要求

通過毫米波部署場景分析可知，豐富的應(yīng)用場景要求毫米波設(shè)備具有豐富的設(shè)備形態(tài)（見表9）。

表9 設(shè)備形態(tài)要求

5.2.2 設(shè)備演進(jìn)要求

a）多模多頻演進(jìn)要求。毫米波設(shè)備需要滿足運(yùn)營商多模多頻組網(wǎng)方式需求，能夠與現(xiàn)網(wǎng)LTE系統(tǒng)、5G低頻段系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備形態(tài)上的融合。對于宏站，要求BBU可以同時支持5G低頻段和毫米波頻段AAU和微AAU，滿足高低頻三扇區(qū)組網(wǎng)需求。要求射頻單元提供5G低頻與毫米波系統(tǒng)的硬件融合設(shè)計方案，有效降低鐵塔租金。對于分布式微站，要求系統(tǒng)同時支持5G低頻段和毫米波頻段，BBU和匯聚單元支持5G低頻段和毫米波頻段拉遠(yuǎn)RRU單元的接入。提供5G低頻與毫米波頻段拉遠(yuǎn)RRU的融合設(shè)計方案。

b）靈活部署要求。相對于sub6G設(shè)備，毫米波元器件的尺寸更小，單位面積可以部署更多的天線陣子或者毫米設(shè)備更容易小型化。設(shè)備需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減小微站和微AAU單元設(shè)備體積，進(jìn)行美化設(shè)計便于隱蔽部署，提供多種方式的供電方案和回傳方案。

c）白盒化發(fā)展要求。采用開源軟件+通用器件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)專用設(shè)備，利用器件的規(guī)模效應(yīng)攤薄研發(fā)成本，降低接入網(wǎng)的綜合成本。白盒化將有利于吸引一大批有創(chuàng)新能力的中小企業(yè)進(jìn)入移動通信產(chǎn)業(yè)，使移動通信產(chǎn)業(yè)鏈由封閉逐步走向開放，是未來微站的發(fā)展趨勢。

5.2.3 主要能力要求

a）帶寬和峰值速率。毫米波設(shè)備應(yīng)支持200、400 MHz單載波能力，應(yīng)支持多載波聚合，總帶寬800 MHz的能力。毫米波設(shè)備應(yīng)支持64QAM和256QAM調(diào)制方式，系統(tǒng)峰值傳輸速率應(yīng)達(dá)到10 Gbit/s以上。

b）波束賦形。受制于毫米波傳播特性，毫米波收發(fā)機(jī)需要采用大規(guī)模天線陣列來彌補(bǔ)嚴(yán)重的空中傳播路徑損失。5G毫米波設(shè)備需要充分利用大規(guī)模天線陣列和波束賦形技術(shù)，提高信號覆蓋能力。

c）波束管理。5G毫米波頻段系統(tǒng)需要具備較好的波束管理算法，包括控制信道和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道設(shè)計、波束選擇、波束反饋、波束指示以及波束恢復(fù)等，保證UE在移動過程中的波束選擇與波束跟蹤，保證UE在遮擋情況下的波束切換與波束恢復(fù)能力。

5.3 5G毫米波終端發(fā)展建議

面對豐富多樣的5G毫米波應(yīng)用場景，特別是園區(qū)專網(wǎng)場景，毫米波終端應(yīng)根據(jù)專網(wǎng)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行定制，如定制化CPE、功能終端、公網(wǎng)專網(wǎng)混合終端。

表10示出的是終端形態(tài)要求。

表10 終端形態(tài)要求

5.4 5G毫米波產(chǎn)業(yè)鏈合作推動

目前美、日、韓等國已經(jīng)完成5G毫米波頻譜劃分并開始部署，產(chǎn)業(yè)鏈較國內(nèi)成熟。從國際競爭角度考慮，通信行業(yè)應(yīng)該緊抓中國5G快速發(fā)展契機(jī)，構(gòu)建5G毫米波合作平臺，凝聚毫米波產(chǎn)業(yè)力量，引領(lǐng)毫米波技術(shù)發(fā)展，打造毫米波生態(tài)體系，推動毫米波產(chǎn)業(yè)鏈成熟，加速毫米波網(wǎng)絡(luò)部署，探索合作共贏的5G毫米波業(yè)務(wù)模式，賦能5G網(wǎng)絡(luò)，互惠共贏。

在毫米波產(chǎn)業(yè)鏈合作方面，應(yīng)由運(yùn)營商牽頭，聯(lián)合設(shè)備廠商、終端廠商、芯片廠商、天線廠商、垂直行業(yè)、高校等產(chǎn)業(yè)鏈上下游，不斷拓展毫米波應(yīng)用場景，通過5G毫米波業(yè)務(wù)試點(diǎn)、規(guī)模應(yīng)用和實際部署，帶動產(chǎn)品、平臺、業(yè)務(wù)的研發(fā)和迭代，形成多樣化的產(chǎn)品和解決方案，增強(qiáng)合作伙伴創(chuàng)新能力和競爭力。

6 結(jié)束語

本文從頻譜、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)鏈、部署情況幾個方面對毫米波產(chǎn)業(yè)成熟度進(jìn)行分析，指出目前國內(nèi)毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較國外緩慢，有待進(jìn)一步推動。在對多廠家毫米波設(shè)備進(jìn)行測試摸底的基礎(chǔ)上，明確當(dāng)前毫米波設(shè)備容量和覆蓋能力，并根據(jù)毫米波系統(tǒng)特性從網(wǎng)絡(luò)部署角度提出了高低頻混合組網(wǎng)、大帶寬回傳和園區(qū)專網(wǎng)3種可行的5G毫米波部署場景和具體方案建議。最后站在毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度，提出了加速出臺頻譜規(guī)劃，加速設(shè)備和終端成熟，加快整合產(chǎn)業(yè)力量的產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議。