5G毫米波技術(shù)與應(yīng)用場景淺析

徐霞艷

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

5G標(biāo)準(zhǔn)在統(tǒng)一的設(shè)計框架下支持中低頻段和毫米波頻段，實現(xiàn)了全頻譜接入的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。近年來，5G毫米波也已在美國、日本等國商用，技術(shù)上的優(yōu)勢與不足在應(yīng)用中逐漸明晰。依托中低頻段，我國5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與應(yīng)用發(fā)展均取得了領(lǐng)先優(yōu)勢。面向5G中長期發(fā)展，毫米波以其大帶寬、高速率、低時延、靈活部署等技術(shù)優(yōu)勢，將有望成為5G發(fā)展下半場的關(guān)鍵使能技術(shù)之一。

1 5G毫米波技術(shù)特點

1.1 5G毫米波技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)概況

在3GPP R15/R16版本國際標(biāo)準(zhǔn)中，5G毫米波指24.25 GHz至52.6 GHz頻率范圍；3GPP R17版本正在開展更高頻率（52.6 GH至71 GHz）毫米波的標(biāo)準(zhǔn)化。我國重點關(guān)注的是頻率較低、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較好的26 GHz頻段（24.25～27.5 GHz）[1]。在無線傳輸技術(shù)上，5G標(biāo)準(zhǔn)采用了多項適合毫米波的系統(tǒng)設(shè)計，如更大的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）子載波間隔（120 kHz）、更大的載波帶寬（200 MHz或400 MHz）、基于波束的信道傳輸?shù)?，充分發(fā)揮毫米波技術(shù)特點并簡化產(chǎn)品實現(xiàn)。隨5G標(biāo)準(zhǔn)版本的演進，毫米波無線傳輸技術(shù)也在不斷增強。在組網(wǎng)方式上，5G毫米波支持靈活的部署方式，既可與中低頻基于載波聚合或雙連接技術(shù)協(xié)同組網(wǎng)，毫米波也可以單獨部署組網(wǎng)。在產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)上，5G毫米波采用數(shù)字模擬混合波束賦形的系統(tǒng)架構(gòu)，以及天線陣和射頻前端高度集成的硬件方案，首次實現(xiàn)了毫米波技術(shù)在蜂窩移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.2 5G毫米波的技術(shù)特點

1.2.1 5G毫米波帶寬大、速率高

從頻譜資源來看，當(dāng)前5G中低頻段的可用頻譜在幾百兆赫茲左右；而毫米波僅26 GHz頻段即可提供3GHz左右的頻譜。參考國際上毫米波頻率許可情況，一家電信運營商有望獲得600至800 MHz毫米波頻率資源。毫米波帶寬大的特點非常突出。

從用戶峰值速率來看，5G中頻段商用系統(tǒng)采用100 MHz載波帶寬，用戶下行峰值速率在1.5 Gbps左右，上行峰值速率在250 Mbps或380 Mbps左右（取決于幀結(jié)構(gòu)）[2]。面向我國需求，2021年起主要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、終端芯片廠家的26 GHz頻段毫米波設(shè)備已陸續(xù)支持200 MHz載波帶寬，其中基站支持800 MHz（4個200 MHz的載波）的載波聚合，終端芯片下行、上行分別支持800 MHz、400 MHz（2個200 MHz的載波）的載波聚合。根據(jù)2021年我國IMT—2020（5G）推進組開展的5G毫米波技術(shù)試驗實測數(shù)據(jù)，毫米波用戶下行峰值速率可達6.8 Gbps（采用3D1U幀結(jié)構(gòu)，即DDDSU），上行峰值速率可達2.0 Gbps（采用1D3U幀結(jié)構(gòu)，即DSUUU），相當(dāng)于5G中頻段用戶峰值速率的4倍以上，毫米波用戶速率高的特點也非常突出。

毫米波基站還可采用大規(guī)模天線技術(shù)實現(xiàn)多用戶MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出），以提高小區(qū)容量。如4發(fā)4收（4T4R）規(guī)格的基站可同時與2個用戶通信，每用戶通過雙流MIMO傳輸均可達到用戶峰值速率。

圖1 5G毫米波的用戶峰值速率

1.2.2 5G毫米波傳輸時延低

目前我國5G中頻段（2.6 GHz/3.5 GHz等頻段）商用網(wǎng)絡(luò)采用30 kHz子載波間隔與較長的上/下行時隙轉(zhuǎn)換周期（5 ms或2.5 ms），決定了空口的傳輸時延較長。即使再采用上行免調(diào)度傳輸、短時隙（mini-slot）調(diào)度等面向URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，超高可靠低時延通信）場景的低時延增強技術(shù)[3]，5G中頻段商用網(wǎng)絡(luò)的空口傳輸時延也無法顯著降低。

而5G毫米波采用120 kHz子載波間隔，OFDM符號長度短，一時隙長度只有0.125 ms；如采用3D1U（DDDSU）或1D3U（DSUUU）幀結(jié)構(gòu)，上/下行時隙轉(zhuǎn)換周期只有0.625 ms，有利于降低空口傳輸時延。經(jīng)實測，5G毫米波空口單向傳輸時延可低至1～1.5 ms。因此毫米波具有明顯的低時延優(yōu)勢。

面向工業(yè)機器人控制等應(yīng)用極低時延、超高可靠性的通信需求，5G毫米波還可以采用面向URLLC的低時延、高可靠增強技術(shù)。為進一步降低時延，可考慮采用上/下行時隙轉(zhuǎn)換周期更短的幀結(jié)構(gòu)（如DS幀結(jié)構(gòu)，周期僅為0.25 ms），再結(jié)合上行免調(diào)度傳輸?shù)仍鰪娂夹g(shù)。為進一步提高傳輸可靠性，可考慮采用低碼率CQI/MCS表格、高聚合等級PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）等增強技術(shù)，保障低信噪比條件下的高可靠傳輸[3]。利用這些增強技術(shù)，5G毫米波有望在高可靠傳輸?shù)那疤嵯聦崿F(xiàn)毫秒級的空口時延。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，采用上/下行時隙轉(zhuǎn)換周期為0.25 ms的幀結(jié)構(gòu)，并結(jié)合部分URLLC增強技術(shù)，5G毫米波可在滿足99.999%的傳輸可靠性下，實現(xiàn)1.5 ms以內(nèi)的雙向端到端時延。

1.2.3 5G毫米波信號傳播路徑損耗與穿透損耗大

根據(jù)無線電波傳播規(guī)律，與中低頻相比，5G毫米波信號傳播路徑損耗大、穿透損耗大、衍射繞射困難，在信號覆蓋能力上存在不足?；?G毫米波的傳播特性，5G毫米波較適合于終端靜止或中低速移動的區(qū)域性覆蓋，不適合于大規(guī)模連續(xù)覆蓋和高速移動場景；并且5G毫米波較適合于視距無遮擋場景（如室外或室內(nèi)視距、室外富反射場景）和近似視距低穿透場景（如室外淺層植被穿透、室內(nèi)普通玻璃穿透），難以覆蓋室外建筑物阻擋、室內(nèi)高穿透損耗等場景。在具體環(huán)境上，5G毫米波適合于城區(qū)干道、大型交通樞紐和機場、體育場館、展覽館、開闊辦公區(qū)等較空曠或反射徑豐富的場景。

1.2.4 5G毫米波部署靈活

正由于具有上述無線信號傳播特性，5G毫米波特別適合于體育場館、展覽館、廠房等較封閉的單點場景，可根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求靈活進行部署和配置。

一是可以靈活選擇5G毫米波組網(wǎng)方式，包括毫米波單獨部署組網(wǎng)或毫米波與中低頻協(xié)同組網(wǎng)。毫米波單獨部署組網(wǎng)指毫米波完全獨立運行，其部署較簡單，但由于沒有中低頻提供基礎(chǔ)覆蓋，比較適合于無線環(huán)境較簡單、終端基本靜止或小區(qū)域內(nèi)移動的部分行業(yè)應(yīng)用場景。而毫米波與中低頻協(xié)同組網(wǎng)可以發(fā)揮中低頻連續(xù)覆蓋和毫米波大帶寬、低時延特點，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

二是可以靈活選擇5G毫米波的頻率帶寬、幀結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)配置。根據(jù)可用頻率資源和具體場景的業(yè)務(wù)量需求，以基本的載波帶寬（200 MHz）為基礎(chǔ)，可靈活選擇1個、2個或4個等載波數(shù)目，通過載波聚合技術(shù)實現(xiàn)200 MHz、400 MHz或800 MHz等不同的系統(tǒng)帶寬。5G毫米波采用時分雙工（TDD）方式，上行、下行時隙的配置比例直接影響上行、下行的用戶峰值速率和容量，可根據(jù)具體場景對上行、下行速率與容量的需求靈活配置幀結(jié)構(gòu)。如面向公眾用戶的室內(nèi)外熱點場景中，以移動視頻等下行業(yè)務(wù)為主，可采用下行資源為主的3D1U（DDDSU）幀結(jié)構(gòu)；而面向垂直行業(yè)的工業(yè)視覺、8K視頻回傳等超大上行業(yè)務(wù)場景中，可選擇上行資源為主的1D3U（DSUUU）幀結(jié)構(gòu)。從實現(xiàn)上看，毫米波單站覆蓋距離較小、穿透損耗大，具備根據(jù)局部區(qū)域業(yè)務(wù)特點靈活設(shè)置幀結(jié)構(gòu)的技術(shù)可行性。

三是可以靈活選擇不同類型、不同規(guī)格的毫米波基站，適配不同場景的部署需求。如室外熱點以提供大容量為主要目標(biāo)，可選擇數(shù)字通道多（4T4R甚至8T8R）、天線陣列規(guī)模大、發(fā)射功率高的宏站；而廠房等室內(nèi)場景需考慮部署空間等條件限制，可選擇通道較少（如2T2R）、天線陣列規(guī)模較小、發(fā)射功率也較低的微站或分布式皮站，以降低設(shè)備的體積、質(zhì)量，提高部署的便利性。

2 5G毫米波典型應(yīng)用場景

由于具備上述技術(shù)特性，5G毫米波的典型應(yīng)用場景將主要包括室內(nèi)外熱點區(qū)域覆蓋、大上行應(yīng)用和以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為代表的行業(yè)應(yīng)用等幾類。不同場景在組網(wǎng)方式、設(shè)備形態(tài)與技術(shù)等方面的要求也有區(qū)別。

2.1 室內(nèi)外熱點區(qū)域覆蓋

面向ToC市場，室內(nèi)外熱點將是毫米波主要應(yīng)用場景，包括購物街區(qū)、室外廣場等室外高業(yè)務(wù)量區(qū)域，以及大型體育館、機場、交通樞紐等室內(nèi)高業(yè)務(wù)量區(qū)域。這些場景中人群密集、高峰時段對業(yè)務(wù)量需求極大。從無線信號傳播看，這些區(qū)域環(huán)境比較空曠，遮擋較少，有利于規(guī)避毫米波信號傳播路徑損耗與穿透損耗大的劣勢。充分發(fā)揮毫米波帶寬大、速率高的優(yōu)勢，將可以實現(xiàn)360°觀賽、4K超高清互動點播、云AR/VR等極致帶寬業(yè)務(wù)。

面向室內(nèi)外熱點區(qū)域覆蓋，適宜采用5G毫米波與中低頻協(xié)同組網(wǎng)方式。在毫米波基站方面，可采用宏站、微站、分布式皮站等多種形態(tài)的設(shè)備以適應(yīng)不同部署場景需求，對室內(nèi)部署場景基站設(shè)備應(yīng)實現(xiàn)小型化。在終端方面，支持4G/5G高低頻的多模多頻智能手機將是主要形態(tài)，未來還會出現(xiàn)AR/VR頭盔等形態(tài)。在當(dāng)前5G毫米波產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)基礎(chǔ)上，應(yīng)進一步豐富基站的設(shè)備形態(tài)實現(xiàn)系列化，在技術(shù)發(fā)展方向上應(yīng)加強多用戶MIMO、多用戶調(diào)度等特性的研發(fā)，進一步提升毫米波的帶寬與容量優(yōu)勢。

2.2 大上行應(yīng)用

部分5G行業(yè)應(yīng)用的特點是以上行業(yè)務(wù)為主。如在8K超高清視頻直播無線回傳中，8K攝像機拍攝的視頻信號經(jīng)編碼器壓縮后，仍高達數(shù)百兆比特每秒。在工業(yè)視覺應(yīng)用中每臺設(shè)備需要100～400 Mbps上行速率，一個小區(qū)內(nèi)多臺設(shè)備則可能需要超過2 Gbps的上行速率。5G中頻段（2.6/3.5 GHz頻段）主要面向增強移動寬帶場景，以滿足下行業(yè)務(wù)為主，上行能力相對不足，無法滿足這類上行超大帶寬業(yè)務(wù)的需求。而毫米波如用戶上行采用400 MHz帶寬，再結(jié)合上行資源為主的1D3U（DSUUU）幀結(jié)構(gòu)，即可提供2 Gbps左右的用戶上行峰值速率，可以滿足這類應(yīng)用的上行超大帶寬需求。

面向大上行應(yīng)用，可根據(jù)部署場景靈活選擇5G毫米波單獨部署組網(wǎng)或5G毫米波與中低頻協(xié)同組網(wǎng)方式。在終端方面，考慮滿足大上行速率要求并提供足夠的覆蓋距離，應(yīng)重點發(fā)展CPE、行業(yè)模組等形態(tài)，建議終端支持較高的發(fā)射功率。在技術(shù)發(fā)展方向上，應(yīng)加強對終端上行支持更大帶寬（400 MHz以上）、更高速率等特性的研發(fā)工作。

2.3 以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為代表的行業(yè)應(yīng)用

發(fā)揮大帶寬、低時延、高可靠特性，5G毫米波可使能以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為代表的行業(yè)應(yīng)用，典型應(yīng)用如移動視頻監(jiān)控、AGV（Automated Guided Vehicle，自動導(dǎo)引運輸車）、協(xié)作機器人生產(chǎn)線控制、移動機器人、實時人機協(xié)作等。

5G毫米波適合部署在相對空曠、無遮擋或少遮擋的廠房或園區(qū)環(huán)境。毫米波可以單獨部署組網(wǎng)，必要時也可與中低頻協(xié)同組網(wǎng)。5G毫米波基站應(yīng)小巧易部署，適應(yīng)行業(yè)應(yīng)用場景中對設(shè)備體積、質(zhì)量和功耗等指標(biāo)的嚴(yán)格要求，在特定行業(yè)應(yīng)用場景下基站還應(yīng)滿足高溫高濕等特殊工作環(huán)境要求。終端可采用定制化CPE（用戶終端設(shè)備）、行業(yè)定制終端或模組等不同形態(tài)。在技術(shù)發(fā)展方向上，為滿足部分行業(yè)場景極低時延、超高可靠性的通信需求，5G毫米波在大帶寬基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮結(jié)合URLLC增強技術(shù)，必要時還可采用基于多點協(xié)助傳輸?shù)腢RLLC增強方案，通過信息的冗余傳輸來提升傳輸可靠性[3]。

3 結(jié)束語

展望未來，5G毫米波技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)將不斷增強演進，基站與終端等產(chǎn)品的功能將不斷完善、性能將不斷提升。為實現(xiàn)5G毫米波的成功商用，業(yè)界還需持續(xù)推動大帶寬、靈活幀結(jié)構(gòu)、多用戶調(diào)度與多用戶MIMO等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，豐富毫米波基站、終端的產(chǎn)品系列，積極探索毫米波與URLLC等增強技術(shù)的結(jié)合，拓展毫米波的應(yīng)用場景，為5G毫米波的廣泛應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。