5G 基于毫米波通信應用前景研究*

楊 堃

（柳州市第一職業(yè)技術(shù)學校，廣西 柳州 545616）

1 毫米波是什么

近十年，隨著通信的迅猛發(fā)展，毫米波這個名詞逐漸走進大家視野。毫米波通常指頻段在30～300GHz，相應波長為1～10mm 的電磁波，工作頻率介于微波與遠紅外波之間，兼有兩種波譜的特點，將接近的24GHz 或以上頻段也定義為毫米波的范圍，在5G 移動通信、物聯(lián)網(wǎng)和雷達、衛(wèi)星通信等領域具有很廣闊的應用前景。而目前主要受關(guān)注的為28-30GHz，38GHz，45GHz，57-71GHz，71-76GHz，81-86GHz，100GHz 等頻段。5G 通信中的毫米波通信是指擴展頻段主要在24GHz～200GHz 頻率，也就是高頻頻段FR2 傳輸，0Hz～6GHz 也是俗稱的FR1。

2 毫米波的特點

與光波相比，毫米波利用大氣窗口（毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時，由于氣體分子諧振吸收所致的某些衰減為極小值的頻率）傳播時的衰減小，受自然光和熱輻射源影響小，相對于低頻頻段，毫米波還具有帶寬寬、波束窄、傳輸干擾小、安全保密好、多徑效應小、多普勒分辨力高，以及器件尺寸小易集成等特點。

2.1 極寬的帶寬

通常認為毫米波頻率范圍為大約在24GHz～300GHz，帶寬高達273.5GHz。超過從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時只能使用四個主要窗口，但這四個窗口的總帶寬也可達135GHz，為微波以下各波段帶寬之和的5 倍。這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。

2.2 波束窄

在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。因此可以分辨相距更近的小目標或者更為清晰地觀察目標的細節(jié)。

2.3 受環(huán)境影響小

與激光相比，毫米波的傳播受氣候的影響要小得多，可以認為具有全天候特性。

2.4 設備微型化

和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統(tǒng)更容易小型化。

但也存在以下不足：（1）大氣中傳播衰減嚴重。（2）器件加工精度要求高。

3 毫米波在5G 通信的應用

從無線通信的發(fā)展來看，1G-3G 基本都在Sub3G 以下頻段通信，4G 網(wǎng)絡主要部署在C-bank（3G-6G 頻段）區(qū)間，這個頻段既兼顧了繞射、覆蓋范圍又兼顧信號衰減等因數(shù)，也考慮到頻率與傳輸距離的固有關(guān)系，很多人認為5G 通信部署在FR1（Sub3G 和C-bank）區(qū)間內(nèi)，退而求其次才部署在毫米波波段。但這個觀點太片面，毫米波雖有先天不足，但它也擁有大帶寬、頻譜豐富的優(yōu)勢，針對不足將會有新技術(shù)彌補毫米波的先天不足。從2G 到4G，移動通信都被部署在6GHz 以下的中低頻段。這個頻段因為波長比較長，它的穿透力和覆蓋范圍都很優(yōu)秀，所以也被稱為移動通信的黃金頻段。但是在這個頻段里，除了有手機運營商在用，還有其他很多的業(yè)務也都集在這里，非常的擁擠。所以到了5G 時代，除了要繼續(xù)“榨干”6GHz 以下頻段之外，還往上開辟了一塊無比寬廣的新大陸，波長在1 到10mm 之間的毫米波頻段，也稱之為5G的擴展頻段。6GHz 以下中低頻和毫米波高頻對于5G 頻譜資源來說，都是不可或缺的。因為既要兼顧覆蓋、繞射又要兼顧帶寬、頻譜。比如8KVR、自動駕駛、演唱會現(xiàn)場連接、智能制造等典型的5G 應用場景都必須依靠毫米波的大帶寬、低時延、高容量和大連接數(shù)的特性才能更好地實現(xiàn)，那么毫米波將是一個不錯的選擇。那么既然毫米波這么好，為什么到現(xiàn)在還沒用上呢？因為它不好做，基站和手機之間的通信，就像是兩個人隔空喊話，隔得近，聲音就清晰，辨識度越強。距離越遠，聲音就越弱，辨識度也就越低。這種只因距離增加而衰減的特性，就像是電磁波里的路徑損耗，在自由空間里，頻率越高，路徑損耗就越大。毫米波因為它工作時有很高的頻率，所以它的傳播距離會比中低頻段要短。這個時候就要想到一個關(guān)鍵技術(shù)——波速成形技術(shù)。在2G 和3G 時代的基站就像是一個大喇叭。無差別地向四面八方發(fā)射信號，距離太遠聽不清怎么辦？只能大點聲。也就是加大發(fā)射功率，但是功率是不能無限加大的，于是有的工程師掏出了“傳聲筒”，直接把聲波運輸?shù)揭粋€很窄的方向，近乎點對點的傳遞，這就是波速成形。它的優(yōu)勢是顯而易見的，首先聲音可以傳的更遠更清晰，大大降低了路徑損耗，這樣小聲說話也可以聽得見，并節(jié)約了發(fā)射功率，而且還不用擔心旁邊的路人偷聽，即降低了同信道用戶之間的干擾。但是一但拉進到現(xiàn)實環(huán)境里，同樣存在問題，首先，現(xiàn)實環(huán)境它不像自由空間，現(xiàn)實里會有各種各樣的障礙物，而毫米波波長很短，比中低頻段更容易受到阻擋，當人走到障礙物后面，引發(fā)了非視距通信，就算用上傳聲筒，信號也過不來，怎么辦呢？這時可以利用建筑物的反射來讓傳聲筒轉(zhuǎn)彎，或者是直接無縫切換到新的基站，利用波束追蹤、波束導向、波束切換等技術(shù)，無論環(huán)境多么復雜、人怎么移動，基站和終端之間，都可以相互配合完成波束掃描配對后選擇一條最優(yōu)的路徑用來通信。在移動設備上用毫米波通信，曾經(jīng)被許多人認為是絕對不可能實現(xiàn)的，而在今天，市面上已經(jīng)有很多一線廠商推出了支持毫米波的商用智能手機。從今年Speedtest 的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看到，今年全球手機平均下行速率只有35Mbps 左右。而在已經(jīng)部署了毫米波的地區(qū)，搭載驍龍5G 毫米波解決方案的手機，平均下行速率是900Mbps，峰值速率則達到了2Gbps。除了手機之外，驍龍5G 毫米波解決方案還正在支持一大批CPE5G 模組，甚至是PC 進入我們的生活，可以預見的是5G 已經(jīng)采用很多新技術(shù)成功克服覆蓋范圍問題，非尺具通信等幾大致命問題被解決之后，毫米波已經(jīng)離我們不遠了。

4 5G 在SUB6G 和毫米波應用上各有千秋

在5G 發(fā)展的初步階段，運營商為了控制好成本，在4G 基站較為成熟的地方，為了降低成本一般會采用NSA的方式來組網(wǎng)，這時往往使用中低頻段（SUB6G）來進行通信，而在4G 基站較為薄弱的地方會采用SA 方式來組網(wǎng)。另外對比Sub-6G，毫米波頻資源豐富，有大量的毫米波網(wǎng)絡帶寬能用，載波通信網(wǎng)絡帶寬達到400MHz/800MHz，不但提升了數(shù)據(jù)信息傳輸速率，還防止了低頻段存有的擁擠，無線網(wǎng)絡傳輸速度達到10Gbps 之上，其次，波長較短的毫米波會造成窄小的波束，進而為傳輸數(shù)據(jù)出示高的空間辨別能力和安全系數(shù)，且速度更快、信息量大，延遲小。毫米波電子器件的規(guī)格小，相對于Sub-6GHz 設備，更易微型化；還有就是子載波通間距較大，單SLOT 周期（120KHz）是低頻Sub-6GHz（30KHz）的1/4，空口延遲減少。毫米波波長短、天線陣面小、容積比較有限，對芯片的功耗及整個設備熱管散熱設計方案明確提出很高的規(guī)定，對芯片設計也明確提出了新要求。未來毫米波系統(tǒng)能夠覆蓋展覽館及辦公場所，也可運用于戶外熱點覆蓋、無線網(wǎng)絡寬帶接入等，能夠與Sub-6G 合作構(gòu)成雙連接異構(gòu)網(wǎng)絡，完成大空間和覆蓋面的有機結(jié)合，未來市場空間極大。

5 通信頻段必然向毫米波方向延伸

隨著高容量、高速率、低時延業(yè)務發(fā)展，通信頻段必然向毫米波方向延伸；5G 移動通信的基本架構(gòu)將采用低頻段+毫米波頻段相結(jié)合的通信方式；5G 毫米波通信主要應用場景解決熱點流量問題，毫米波基站體積更小，便于隱蔽安裝；適合光纖不易接入或成本過高的地區(qū)，采用CPE 終端掛墻或靠窗安裝；毫米波與MEC、AI 技術(shù)結(jié)合，適合于園區(qū)組網(wǎng)方案；構(gòu)建智慧工廠、智慧園區(qū)、智慧碼頭等控制類智慧應用。

6 5G 的發(fā)展必然向毫米波延伸

5G 毫米波的應用將開啟5G 發(fā)展的新階段，有望釋放出5G 的全部潛能。5G 毫米波市場前景廣闊，具備多項優(yōu)勢，能否實現(xiàn)5G 最初的全部承諾，達成5G 最初的全部愿景，是5G 成功與否的關(guān)鍵所在。隨著高容量、高速率、低時延業(yè)務發(fā)展，通信頻段必然向毫米波方向延伸，5G 移動通信的基本架構(gòu)將采用低頻段+毫米波頻段相結(jié)合的通信方式。毫米波的頻譜資源比較豐富，可以從過去的100MHz 到現(xiàn)在的800MHz，無線傳輸速率可能達到10Gbit/s，可以為5G 發(fā)展提供很好的發(fā)展空間和能力。5G 毫米波使用更高的頻率，實現(xiàn)更快的速率，具備更大的系統(tǒng)容量和更強的業(yè)務能力，能夠幫助5G 真正實現(xiàn)最初的承諾，達成5G 最初的愿景。5G 毫米波當仁不讓地成為了5G 重點部署的關(guān)鍵技術(shù)。GSMA 數(shù)據(jù)顯示，5G 毫米波預計將在2035 年之前為全球GDP 帶來5650 億美元的貢獻，占5G 總貢獻的25%。5G 毫米波和中低頻的Sub-6GHz 互相配合、互相補充，是實現(xiàn)5G 完整和最優(yōu)用戶體驗的關(guān)鍵。從5G 毫米波全球頻譜分配及商用情況來看，截至2020 年6 月，17 個國家和地區(qū)的79 個運營商已經(jīng)擁有了在24.25～29.5GHz 部署5G 毫米波的頻率許可，42 個國家/地區(qū)的127 個運營商在該頻段范圍內(nèi)以試驗、許可證、部署或運營網(wǎng)絡的形式進行了5G 投資，全球共有84 個已發(fā)布的5G 設備明確支持或?qū)⒅С?G 毫米波頻段。5G 毫米波帶寬資源豐富，不僅能夠提供極大網(wǎng)絡容量，提高網(wǎng)絡速率，將網(wǎng)絡延時降低到前所未有的水平，還能為整個5G 生態(tài)系統(tǒng)提供動力，并實現(xiàn)5G承諾的賦能垂直行業(yè)應用。

7 射頻市場的發(fā)展必然向毫米波延伸

在未來的4-5 年里，基站建設市場呈爆炸式增長，與4G 相比，射頻器件市場采用多輸入多輸出技術(shù)的5G M-MIMO 宏站有望實現(xiàn)3-4 倍的增長，5G 毫米波也將有8 倍左右的市場增長；市場總量預計從2018 年低谷（14.8億美元）到2024 年高峰的31.6 億美元，復合增長率約為13%；而業(yè)務構(gòu)成來看，來自于5G M-MIMO 宏站、5G 毫米波合計貢獻將超過50%。隨著5G 建設的推進，Sub-6 GHz 無線基礎設施開始部署，以彌補現(xiàn)有4G LTE 網(wǎng)絡與未來毫米波（mmW）5G 實施方案之間的帶寬差距，5G毫米波定位為高價值熱點區(qū)域的覆蓋解決方案，作為Sub-6GHz 5G 廣覆蓋網(wǎng)絡的補充，預計部署數(shù)量將從2018 年的3.8 萬臺增加至2024 年的140 萬個，其中主要應用為24-27GHz 與27.5-29.5GHz 頻段。

綜上所述，毫米波不僅不是人們通常認為的通信禁區(qū)，它還有很多先天通信優(yōu)勢，但毫米波的通信也需要很多新硬件、新技術(shù)的支撐，比如：毫米波射頻器件、毫米波天線、超寬帶低復雜度信號處理、空間信道模型以及網(wǎng)絡組網(wǎng)架構(gòu)和空口的優(yōu)化、空口與高頻段組合技術(shù)。但有一些不足，現(xiàn)在人們已經(jīng)針對它的不足開發(fā)出新的技術(shù)來進行彌補，這樣毫米波便可以揚長避短，發(fā)揮出在低頻頻率通信中沒有的特性，使得毫米波通信具有自己獨特的優(yōu)勢。目前有關(guān)毫米波的具體商用時間軸的規(guī)劃尚未正式發(fā)布，缺乏明確的頂層商用時間規(guī)劃，產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度較低也制約著產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國內(nèi)5G 毫米波產(chǎn)業(yè)鏈上游的元器件研發(fā)與制造仍處于研發(fā)試點階段，受技術(shù)實現(xiàn)和生產(chǎn)成本及基礎設施建設進度的限制，尚未到達商用量產(chǎn)。在頻譜資源越來越緊缺的情況下，開發(fā)出在衛(wèi)星和雷達軍用系統(tǒng)上常使用的毫米波頻譜資源成為了第五代移動通信技術(shù)的重點，因毫米波段擁有巨大的頻譜資源開發(fā)空間。

8 結(jié)束語

目前Sub3G 基本被2G、3G、4G 部署完畢，可用的頻譜資源相對有限，待2G、3G、4G 退網(wǎng)以后會有部分低頻頻譜部署5G 使用。結(jié)合繞射、帶寬、覆蓋和功耗等要求，5G 將會在各個不同場合使用不同的頻譜，發(fā)揮出各自的優(yōu)勢。相信在不久的將來，我們將開發(fā)出更多關(guān)于毫米波的新技術(shù)克服它的不足，把毫米波的優(yōu)點用到極致。