毫米波是指波長為毫米級的電磁波，通常所處頻段為30 - 300 GHz，往往也包含24 GHz 以上頻段。5G網(wǎng)絡需要毫米波來支持更高的速率和更低的時延，為各種新型應用提供通信基礎設施。相比于4G ，5G一個關鍵的提升就是能夠利用更多的頻譜資源來滿足不同種類的業(yè)務需求，其中就包括使用毫米波的頻段資源來實現(xiàn)極高帶寬和極低時延。

隨著業(yè)務對帶寬需求的不斷增加，通信頻譜不斷向更高頻譜延伸，5G毫米波具有豐富的頻率資源，是移動通信技術演進的必然方向。2020 年，5G已經(jīng)開始規(guī)模商用，整個產(chǎn)業(yè)界的目光都開始投向5G下一階段部署的關鍵技術，其中5G毫米波倍受業(yè)界關注和重視。5G毫米波具有高帶寬、低時延等突出優(yōu)勢，能夠充分釋放5G的全部潛能，從而實現(xiàn)業(yè)務體驗的提升和千行百業(yè)的數(shù)字化轉型，真正實現(xiàn)“4G改變生活、5G改變社會”的愿景。毫米波和中低頻段的Sub-6GHz都有各自的技術優(yōu)勢，5G毫米波和Sub-6GHz互相配合和補充才能夠充分釋放5G的全部潛能，為變革用戶體驗和推動行業(yè)數(shù)字化轉型提供關鍵賦能。

據(jù)GSMA及相關市調機構預測，5G毫米波作為高速接入、工業(yè)自動化、醫(yī)療健康、智能交通、虛擬現(xiàn)實等方面的核心使能技術，預計將在2035 年之前對全球GDP做出5650 億美元的貢獻，占5G 總貢獻的25%;在2034年之前，預計在中國使用5G毫米波頻段所帶來的經(jīng)濟受益將達到約1040億美元，其中垂直行業(yè)領域中的制造業(yè)和水電等公用事業(yè)占貢獻總數(shù)的62%，專業(yè)服務和金融服務占12%，信息通信和貿易占10%。

5G毫米波技術的優(yōu)勢

GSMA在其《5G毫米波技術白皮書》中對這一技術的優(yōu)勢做了很好的總結，其最重要的優(yōu)勢在于頻率資源豐富、帶寬極大。5G毫米波比5G Sub-6 GHz 頻段(FR1)具有更豐富的頻譜資源(如圖3 所示)，是5G網(wǎng)絡提供千兆連接能力的主要方式。要達到5G最高速率要求，就必須使用5G毫米波。

圖1：5G毫米波頻段頻率資源豐富且?guī)挻蟆?

5G毫米波網(wǎng)絡可輕易實現(xiàn)Gbps級別的峰值吞吐率。比如在26 GHz頻段內分配連續(xù)800MHz頻譜，可以采用四個單載波200MHz(4*200MHz)或者八個單載波100MHz(8*100MHz)實現(xiàn)載波聚合傳輸。基于3GPP標準可用的信道寬度和調制方式，結合先進的天線設計和射頻處理技術，5G毫米波系統(tǒng)可以輕松獲得數(shù) Gbps 以上的峰值數(shù)據(jù)吞吐率。目前5G毫米波已經(jīng)在部分國家和地區(qū)商用，基于Ookla SPEEDTEST最新實測結果，5G Sub-6GHz網(wǎng)絡的平均下載速率比4G LTE快5倍，而5G毫米波網(wǎng)絡的平均下載速率與5G Sub-6 GHz 相比又快了4倍，平均速率高達900Mbps，峰值速率超過2Gbps。這一結果是在400MHz 帶寬實現(xiàn)的，未來使用800MHz 帶寬將有望得到更好的結果。因此，與5G sub-6 GHz相比，5G毫米波技術對于用戶峰值速率仍有很大提升空間。

圖2：Ookla SPEEDTEST實測數(shù)據(jù)。(來源：高通)

5G毫米波的第二個優(yōu)勢是易與波束賦形技術結合。5G毫米波的頻段高、波長短，使得其在設計和部署上有空間優(yōu)勢，非常適合與波束賦形技術相結合，增強性能并降低干擾。在典型天線陣列配置下，假設基站有256個天線陣子，5G毫米波能夠獲得的理論波束賦形增益可達24dB;若終端有8根天線，增益可達9dB。例如，在進行室外覆蓋時，如果5G毫米波基站和4G LTE 基站完全共站部署，數(shù)量相等的話，5G毫米波網(wǎng)絡下行覆蓋率可以達到77%。如果稍微增加5G毫米波基站數(shù)量，下行覆蓋率可以達到95%。

5G毫米波的第三個優(yōu)勢是可實現(xiàn)極低時延。5G毫米波系統(tǒng)空口時隙長度是目前主流5G中低頻系統(tǒng)的1/4，空口時延顯著降低，是滿足5G 空口時延小于1ms 的有力保證，可實現(xiàn)5G網(wǎng)絡對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、AR/VR、云游戲、實時云計算等URLLC(高可靠低時延)業(yè)務的質量承諾。例如，AR/VR業(yè)務為保證多感官協(xié)調體驗和交互能力，需要毫秒級的時延;典型的工業(yè)機器人網(wǎng)絡對于時延的要求也要達到毫秒級;產(chǎn)品線上的遠程實時控制也需要毫秒級的時延保證;而工業(yè)視覺等引入人工智能所需的大規(guī)模計算往往需要在一定距離外進行，對空口時延有亞毫秒級別的嚴格要求。

5G毫米波的第四個優(yōu)勢是可支持密集小區(qū)部署。5G毫米波系統(tǒng)可利用波束定向的特點將信號能量聚焦在特定方向來減小對其它非目標對象的干擾，保證鄰近鏈路或者鄰近小區(qū)通信質量，很適合在大型場所如會議室、音樂會、體育館、地鐵站等人口密集區(qū)域進行部署。

5G毫米波的第五個優(yōu)勢是可進行高精度定位。5G毫米波波束窄、方向性好，有極高的空間分辨力;同時由于信號傳輸周期小、時間精度高，5G毫米波有望實現(xiàn)厘米級的定位。即使和全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)相比也有精度和速度上的優(yōu)勢，尤其在衛(wèi)星導航信號較弱的室內環(huán)境，5G毫米波的定位能力將發(fā)揮更為重要的作用。

5G毫米波的這些技術優(yōu)勢，將為行業(yè)開創(chuàng)超越想象的商業(yè)應用前景。目前能夠預測的是，5G毫米波將在室內外交通樞紐與場館等熱點覆蓋應用場景、家庭和寫字樓的固定無線接入(FWA)、以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)用例中大有可為。在室內外交通樞紐與場館等應用場景中，用戶數(shù)多，高峰時期數(shù)據(jù)業(yè)務需求極大，毫米波能夠很好地滿足這些熱點區(qū)域的連接需求。此外，在家庭和寫字樓的網(wǎng)絡部署中，5G毫米波可作為中低頻基站的回傳，或者通過CPE提供寬帶服務，實現(xiàn)對高清視頻、AR/VR等業(yè)務的良好支持。而在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域，相關測試表明，即使在復雜的工業(yè)環(huán)境中，5G毫米波技術加上超可靠低時延通信(URLLC)技術能夠提供出色性能，滿足工業(yè)機器人網(wǎng)絡低至1毫秒時延和高達99.9999%連接可用率的嚴苛要求，并能同時為高密度部署的工業(yè)手持設備及監(jiān)控攝像頭提供高清視頻傳輸。

5G毫米波的挑戰(zhàn)與解決方案

5G毫米波因為頻段高、傳播損耗高、繞射和衍射能力弱，覆蓋相對受限，這是5G毫米波通信系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)。根據(jù)中國聯(lián)通的實測結果，5G毫米波的穿透損耗遠高于Sub-6GHz，同時惡劣天氣如雨、雪、霧等對毫米波的傳播也有不利影響。這使得業(yè)界對5G毫米波產(chǎn)生了“誤區(qū)”，以為它只能夠實現(xiàn)視距傳輸和固定傳輸。然而現(xiàn)在已經(jīng)有多種解決方案來解決5G毫米波信號衰減和阻擋的問題。

首先，5G毫米波通過先進的波束賦形技術增加EIRP(等效全向輻射功率)，提升覆蓋能力，能夠輕松實現(xiàn)數(shù)百米的信號傳輸，緩解路徑損耗問題。這項技術不僅通過仿真實驗得到了驗證，而且在外場測試和商用部署中也得到了充分檢驗。其次，在5G標準化中，5G毫米波波束管理成為5G毫米波標準化的工作重點，其中包括波束搜索、波束跟蹤以及波束切換等，使5G毫米波系統(tǒng)能在部分方向信號受到遮擋的情況下迅速捕捉新波束并動態(tài)地實施波束切換。最后，半導體材料和封裝技術的進步也推動著5G毫米波技術快速發(fā)展，可將大規(guī)模陣列天線和射頻鏈路整合成性價比更高的相位陣列射頻器件(RFIC)，從硬件上為5G毫米波系統(tǒng)提供強大支持。

針對這些挑戰(zhàn)，高通公司中國區(qū)研發(fā)負責人徐晧博士透露，高通的思路是通過完整的系統(tǒng)級解決方案來提供更有效的集成和優(yōu)化。例如，驍龍5G調制解調器及射頻系統(tǒng)集成了調制解調器、射頻收發(fā)器和射頻前端的芯片組，以及毫米波天線模組和軟件框架。高通擁有整個系統(tǒng)的所有關鍵組件，可在系統(tǒng)的所有子組件層面協(xié)同設計硬件和軟件，進行先進技術的創(chuàng)新和技術優(yōu)化，比如可支持最優(yōu)上行鏈路吞吐量、同時滿足傳輸上限的Smart Transmit技術;可實現(xiàn)出色傳輸能效與網(wǎng)絡性能的寬頻帶包絡追蹤技術;可支持更高吞吐量、更高通話可靠性、更廣網(wǎng)絡覆蓋范圍的Signal Boost技術;可實現(xiàn)出色接收能效的5G PowerSave技術等。

目前主流設備和芯片廠商均支持800M帶寬，高通已有多代商用毫米波天線模組產(chǎn)品能夠支持毫米波全頻段。此外，海思Balong 5000、三星Exynos 5123、聯(lián)發(fā)科Helio M80等系列芯片也能夠支持毫米波。在移動終端方面，一加、摩托羅拉、三星、LG、聯(lián)想、宏碁、SierraWireless、移遠通信、廣和通、Telit、Inseego、Netgear、OPPO、友訊(D-link)、亞旭、夏普等業(yè)界領先廠商發(fā)布了多樣化5G毫米波商用終端，覆蓋智能手機、PC、熱點和固定無線接入CPE等。在一加與愛立信共同完成的2020年IMT-2020毫米波終端測試中，使用一加8手機，配合愛立信基站，4cc下行吞吐率可達2.1Gbps，最大距離可達1.2公里。

解決5G毫米波覆蓋問題的另一個解決方案是采用小蜂窩(Small Cell )技術。在5G 時代，單一基站類型很難滿足所有通信需求和部署場景。與5G中低頻宏站相比，5G毫米波Small Cell 基站覆蓋半徑相對較小，部署密度更大，可以通過減小通信距離來保證高峰值吞吐量，并通過提高部署密度來充分保證覆蓋效果。Small Cell 基站部署場景廣泛， 既能室內部署，也能室外部署，為匹配不同部署場景和使用需求，可以采用從分布式到集中式等不同5G 網(wǎng)絡架構形態(tài)，最典型的部署場景是各種熱點地區(qū)，比如會議室、大型體育場館、音樂廳，各類交通樞紐如機場、火車站、地鐵站等。

5G毫米波面臨的第二個挑戰(zhàn)是終端移動管理問題。由于高頻信號傳播特點，5G毫米波小區(qū)覆蓋半徑通常較小，終端在移動狀態(tài)下由于小區(qū)切換較頻繁而易于出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中斷。3GPP標準針對這一問題提出了小區(qū)切換方案和快速波束恢復機制。此外，運營商可以采取“5G Sub-6 GHz+4G LTE+毫米波”的5G 部署策略，利用載波聚合(CA)技術和雙連接(DC) 技術將中低頻和5G毫米波有機結合起來，以提供極致的用戶體驗。

5G毫米波面臨的第三個挑戰(zhàn)是產(chǎn)品復雜性高，實現(xiàn)難度大，特別是天線設計。針對這一挑戰(zhàn)，業(yè)界提出了AiP(Antenna in Package)方案，借助封裝材料與工藝的進步，將天線、射頻收發(fā)器和射頻前端集成在封裝內，以實現(xiàn)系統(tǒng)級的無線通信功能。AiP技術順應了硅基半導體工藝集成度提高的趨勢，同時兼顧了天線性能、成本及體積。

圖3：5G毫米波天線的覆蓋范圍。(來源：GSMA)

徐晧博士認為，毫米波的移動化是關鍵，5G毫米波部署的初期側重于智能手機。高通開發(fā)的毫米波模組在非常緊湊的尺寸中集成了天線、射頻前端和收發(fā)器，一部手機可以采用多個這種模組，不僅滿足智能手機緊湊纖薄的設計需求，同時滿足功耗需求并提供最大化的性能。

5G毫米波的應用場景

5G毫米波適用于三大應用場景：室內外交通樞紐/ 場館等熱點覆蓋;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應用;家庭/寫字樓等無線寬帶接入。它能夠滿足相關業(yè)務對于大帶寬、低時延、精準定位、靈活部署等方面的需求。截止2020年8月，全球已有包括美國、日本和韓國在內的22家運營商部署了毫米波5G系統(tǒng)，超過120家運營商正在積極投資毫米波。目前主流的移動通信設備提供商都已經(jīng)推出了支持5G毫米波的基站設備，芯片廠商和終端設備廠商也已經(jīng)發(fā)布了超過100款的5G毫米波產(chǎn)品。

中興通訊首席產(chǎn)品規(guī)劃專家王建利博士認為，5G毫米波將在2022年成為運營商補熱的重要方案。中興通訊及其他通信廠商正在積極開展5G毫米波的研發(fā)、功能測試、外場試驗，為毫米波規(guī)模商用做好準備。他認為5G毫米波建設要遵循“道”、“法”、“術”。所謂“道”，是指要從根本上解決毫米波覆蓋差的問題;“法”，是指基于毫米波特有的波束特征，設計獨特的陣列天線架構、波束算法、反射板技術;“術”，則是指積極參與3GPP標準的制定，吃透技術細節(jié)。

按照中國IMT-2020(5G)推進組的統(tǒng)籌規(guī)劃，中國將分三個階段推進5G毫米波的試驗工作：2019 年重點驗證5G毫米波關鍵技術和系統(tǒng)特性;2020 年重點驗證5G毫米波基站和終端的功能、性能和互操作;2020到2021 年開展典型場景應用驗證。中國聯(lián)通研究院無線技術研究部副主任李福昌表示，目前聯(lián)通除了重點打造三大場景—基于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)熱點、場景智慧園區(qū)和基于合作伙伴的服務保障外，還將通過開展冬奧場景的毫米波試點驗證帶動國內毫米波產(chǎn)業(yè)鏈加速發(fā)展，預計將于2021年6月完成冬奧場館設備部署。

中國移動研究院無線技術研究所副主任李男表示，從中國移動的角度來看，毫米波有望在2022年具備規(guī)模商用的能力，以SA為基礎部署毫米波網(wǎng)絡對運營商來說會是比較理想的選擇。中移動將考慮采用載波聚合、雙連接的部署方式與6GHz以下頻段進行配合，以解決毫米波部署瓶頸。外場測試數(shù)據(jù)顯示，24.75-27.5GHz頻段下采用3DEU結構時，測試帶寬支持100M、200M、400M和800M，小區(qū)峰值速率可以達到14.7Gbps，用戶時延1-1.5毫秒，與理論分析數(shù)值吻合，有效提升了對毫米波的信心。

結語

5G毫米波具有頻率資源豐富和帶寬大、易與波束賦形技術結合、可實現(xiàn)極低時延、可支持密集化部署，以及可進行高精度定位、等技術優(yōu)勢，能夠充分釋放5G 的潛能，將成為5G 下一階段重點部署的核心技術。目前5G毫米波產(chǎn)業(yè)鏈和標準化組織針對5G毫米波的各種問題提出了許多創(chuàng)新解決方案，從芯片、模組、系統(tǒng)到終端的整個產(chǎn)業(yè)鏈都基本達到商用化成熟階段。從2022年開始，5G毫米波將在全球和中國市場掀起又一波5G熱潮。