干貨滿滿！毫米波的優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)預(yù)測(cè)，到今年年底，國內(nèi)5G基站的數(shù)量將可能達(dá)到70萬個(gè)。

就在5G建設(shè)如火如荼的同時(shí)，隨著R16版本的凍結(jié)，人們逐漸將關(guān)注目光放在5G下一階段關(guān)鍵技術(shù)上。這其中，就包括號(hào)稱5G殺手锏的毫米波技術(shù)。

眾所周知，5G主要使用兩段頻率，分別是FR1頻段和FR2頻段。

FR1和FR2的定義(3GPP 38.101)

FR1頻段的頻率范圍是450MHz-6GHz，又叫Sub-6GHz頻段。FR2頻段的頻率范圍是24.25GHz-52.6GHz。

由于FR2覆蓋波段之中多數(shù)為小于10毫米波長的頻率，這部分頻段因此得名“毫米波(mmWave)”。

我們知道，3GPP定義的5G無線電頻段范圍有2個(gè)，分別為FR1頻段和FR2頻段。

早期的時(shí)候，F(xiàn)R1頻段的頻率范圍是450MHz-6GHz，又叫 Sub-6 GHz頻段。

而FR2頻段的頻率范圍，是24.25GHz-52.6GHz。

因?yàn)镕R2頻段中，多數(shù)頻率的波長小于10毫米，所以FR2也被稱為“毫米波(mmWave)”頻段。

2019年，國際電聯(lián)世界無線電通信大會(huì) (WRC-19) 期間，各國代表經(jīng)過激烈討論，確認(rèn)了5G毫米波的法定頻譜范圍：

全球范圍內(nèi)，將24.25GHz-27.5GHz、37GHz-43.5GHz、66GHz-71GHz頻段，標(biāo)識(shí)用于5G及國際移動(dòng)通信系統(tǒng)(IMT)未來發(fā)展。45.5GHz-47GHz、47.2GHz-48.2GHz頻段，可以在部分國家地區(qū)用于5G及IMT。

頻譜資源的確定，極大地鼓舞了產(chǎn)業(yè)界對(duì)毫米波的信心，刺激了毫米波技術(shù)的發(fā)展。

▉ 毫米波的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球已有超過120家運(yùn)營商正在投資毫米波。

根據(jù)2020年8月份的最新數(shù)據(jù)，目前全球范圍內(nèi)已經(jīng)有22家運(yùn)營商部署了毫米波5G系統(tǒng)。其中，進(jìn)展最快的，是包括美國在內(nèi)的北美地區(qū)。

眾所周知，美國因?yàn)镾ub-6頻段資源極其緊缺(大量被軍方占用)，所以將毫米波頻段作為5G先行部署的主要頻段。具體來說，是28GHz和24GHz頻段(26GHz也在考慮中，37/39/47GHz頻段拍賣已完成)。之后，美國也進(jìn)行了Sub-6GHz頻譜拍賣。

緊隨其后的是日本和韓國。他們將毫米波用于重點(diǎn)區(qū)域的覆蓋，所使用的頻段也是28GHz為主。

再往后是歐洲和澳洲。

意大利已經(jīng)進(jìn)行了毫米波頻譜資源的拍賣，德國和英國正在計(jì)劃之中。他們的使用頻段，主要集中在26GHz頻段(24.25-27.5GHz)。

澳大利亞的話，主要是在26GHz、40GHz和32GHz，頻譜拍賣的計(jì)劃已經(jīng)正式宣布。

相比之下，我們中國的毫米波商用計(jì)劃相對(duì)并不是很急迫，目前還處于研究和測(cè)試階段，頻段資源也沒有進(jìn)行正式分配。

主要原因，正如前面所說，是因?yàn)槲覀兊腟ub-6頻段資源相對(duì)較為充裕(我們是少數(shù)可以在Sub-6頻段連續(xù)分配100MHz頻率資源的國家)，所以對(duì)毫米波的需求并不像美國那么迫切。

當(dāng)然了，不急并不代表不上。

目前國內(nèi)關(guān)于毫米波的測(cè)試早已啟動(dòng)，正在緊鑼密鼓地進(jìn)行之中。據(jù)中國移動(dòng)專家介紹，外場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果跟理論分析數(shù)值比較吻合，有效提升了行業(yè)對(duì)毫米波的信心。

政策方面，工信部之前就有明確發(fā)文，要求：“適時(shí)發(fā)布部分5G毫米波頻段頻率使用規(guī)劃”，“組織開展毫米波設(shè)備和性能測(cè)試，為5G毫米波技術(shù)商用做好儲(chǔ)備”。(《工業(yè)和信息化部關(guān)于推動(dòng)5G加快發(fā)展的通知》，2020-3-24)

三大運(yùn)營商也都有各自的毫米波商用計(jì)劃時(shí)間表。例如中國移動(dòng)的專家就透露，將在2022年具備毫米波的規(guī)模商用能力。中國聯(lián)通則表示，將在2021年6月完成冬奧場(chǎng)館設(shè)備部署和毫米波應(yīng)用產(chǎn)品體驗(yàn)部署，在2022年北京冬奧會(huì)進(jìn)行毫米波技術(shù)的展示和應(yīng)用。

▉ 毫米波的優(yōu)缺點(diǎn)

如果說美國使用毫米波是被逼無奈，那么為什么我們也一定要去折騰毫米波呢?

說白了，還是和毫米波的特點(diǎn)有關(guān)。

毫米波最大的特點(diǎn)，就是頻段資源豐富。相比于Sub-6頻段分配資源時(shí)只能5MHz、10MHz、20MHz這樣擠牙膏(能有100MHz要感動(dòng)到哭)，毫米波可以輕松分配100MHz以上的帶寬資源，甚至達(dá)到400MHz或800MHz。

基于如此充沛的頻率帶寬資源，毫米波5G的無線傳輸速度可以輕松超過Sub-6數(shù)倍。

之前我們看到過國內(nèi)很多人對(duì)5G進(jìn)行測(cè)速，基本上就是1Gbps左右。毫米波的話，根據(jù)前文提到的中國移動(dòng)外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，小區(qū)峰值速率達(dá)到了14.7Gbps(基于800MHz頻譜帶寬)。

香不香?

除了高速率之外，毫米波的大帶寬還能帶來更低的空口時(shí)延，有利于高可靠、低時(shí)延業(yè)務(wù)的部署。

毫米波頻率高、波長短，因此，天線的尺寸更小(天線尺寸和波長成正比)。相同體積下，可以集成更多的天線，可以形成更窄的波束，擁有非常高的空間分辨率。

毫米波還支持厘米級(jí)的定位，尤其是室內(nèi)環(huán)境中，非常好用。

毫米波有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，也有非常明顯的劣勢(shì)，那就是覆蓋能力。

毫米波的覆蓋能力是出了名的差。工作頻段高，繞射能力差。相同條件下，穿透損耗也高，信號(hào)極容易受到遮擋阻斷。

有測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，混凝土墻體對(duì)毫米波的損耗可能高達(dá)60~109dB。這就意味著，毫米波幾乎不具備穿墻的能力。想要通過室外宏站覆蓋室內(nèi)，幾乎不可能。

玻璃同樣也是毫米波的天敵，會(huì)帶來明顯的損耗。即便是人體或樹木，都會(huì)對(duì)毫米波造成顯著影響。

所以，如何對(duì)毫米波進(jìn)行合理部署，如何提高毫米波的覆蓋能力，是毫米波成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)落地的前提條件。

▉ 毫米波的覆蓋提升

目前來看，提升毫米波覆蓋的主要方式和思路包括：

一、直接提升發(fā)射功率，例如EIRS(等效全向輻射功率)，進(jìn)而提升覆蓋范圍。

二、采用陣列天線(毫米波的必然選擇)，合理利用波束賦形和波束管理，寬波束適合增加覆蓋面積，窄波束適合增加覆蓋距離，兩者進(jìn)行平衡。

三、引入恒介電常數(shù)透鏡天線(如龍勃透鏡天線)，獲得更高的天線增益。

四、采用反射板等裝置，通過增加反射路徑，減少覆蓋盲區(qū)。

五、引入碳化硅、氮化鎵等新材料技術(shù)，增加功率和性能。

六、采用高低頻混合組網(wǎng)，彌補(bǔ)高頻覆蓋的弱點(diǎn)，同時(shí)發(fā)揮高頻大流量的優(yōu)點(diǎn)。

七、采用MTRP、IAB等技術(shù)，優(yōu)化鏈路路由，改善信號(hào)覆蓋，增強(qiáng)信號(hào)魯棒性(健壯性)。

MTRP：讓手機(jī)終端可以同時(shí)接收兩個(gè)基站的信號(hào)。當(dāng)一個(gè)發(fā)生遮擋，不會(huì)影響另外一個(gè)信號(hào)的傳輸。

隨著技術(shù)的不斷演進(jìn)，目前毫米波在室外視距(LOS)傳播已經(jīng)可以達(dá)到1-2公里，非視距的話，整體覆蓋在100-200米之間(基站EIRP>60dBm)。

上個(gè)月，高通、Casa Systems和愛立信在澳大利亞成功完成了全球首次增程毫米波5G NR數(shù)據(jù)呼叫，實(shí)現(xiàn)了迄今距離最遠(yuǎn)(3.8公里)的連接，展現(xiàn)毫米波技術(shù)的強(qiáng)大遠(yuǎn)程傳輸能力。

總而言之，在各項(xiàng)技術(shù)的加持下，毫米波的覆蓋能力正在不斷改善，只要部署合理，完全可以商用落地。

▉ 毫米波的應(yīng)用場(chǎng)景

我們先來了解一下毫米波的應(yīng)用場(chǎng)景，看看它到底適合部署在哪些場(chǎng)所。

毫米波的大帶寬、低時(shí)延、弱覆蓋特點(diǎn)，決定了它主要適合三類場(chǎng)景：

第一類，是密集人群超大業(yè)務(wù)流量區(qū)域的熱點(diǎn)覆蓋。例如車站、機(jī)場(chǎng)等交通樞紐，體育場(chǎng)、商場(chǎng)、劇院等人群集中區(qū)域。

這些區(qū)域終端數(shù)量多，流量需求大，借助毫米波的部署，可以形成網(wǎng)絡(luò)的高通量層，提升網(wǎng)絡(luò)容量的上限。

特別值得一提的是VR/AR。這類場(chǎng)景目前對(duì)帶寬有很高的需求，尤其是多終端場(chǎng)景下，以8K VR為例，50個(gè)設(shè)備，大約是5Gbps，是需要毫米波去滿足的。

聯(lián)通冬奧會(huì)計(jì)劃打造大帶寬無線場(chǎng)館，服務(wù)于高清全景賽事直播的同時(shí)，滿足觀眾、參賽者、工作人員、媒體記者等人員的連接需求，也是毫米波的用武之地。

第二類，是智慧園區(qū)、智慧工廠、智慧醫(yī)院、智慧學(xué)校、智慧碼頭等產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。

5G賦能百行千業(yè)，引領(lǐng)各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。除了大帶寬外，行業(yè)場(chǎng)景往往都有低時(shí)延、高可靠性的需求，也就是5G uRLLC場(chǎng)景需求。

以智能制造為例，機(jī)械臂等設(shè)備的運(yùn)行，高精度檢測(cè)設(shè)備的工作，都對(duì)時(shí)延有很高的要求，借助毫米波的大帶寬和低時(shí)延，輔以MEC邊緣計(jì)算及AI人工智能技術(shù)，才能夠很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，做到5G落地。

第三類場(chǎng)景，大家可能不太容易想到，那就是固定無線寬帶接入(FWA)。

我們國家光纖基礎(chǔ)設(shè)施比較完善，所以寬帶接入基本以光纖為主。但是國外很多國家并沒有如此豐富的光纖資源，光纖敷設(shè)成本也很高，就會(huì)考慮CPE等無線寬帶接入方式。

其實(shí)很簡單，就是用毫米波做最后一公里的接入。將5G信號(hào)通過毫米波傳送給用戶家庭CPE設(shè)備，然后轉(zhuǎn)換為Wi-Fi或有線信號(hào)，讓用戶實(shí)現(xiàn)寬帶上網(wǎng)。如下圖所示：

這種方式，對(duì)于密集住宅區(qū)非常有效，成本遠(yuǎn)低于光纖。

同樣的，國外也有將毫米波用于基站回傳，也可以滿足特定場(chǎng)景環(huán)境的需求。

▉ 毫米波技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化

3GPP在5G第一個(gè)版本，也就是R15版本中，就針對(duì)毫米波工作頻段進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，開展了建模研究，給出了基本的功能版本。

在今年6月份凍結(jié)的R16版本中，3GPP對(duì)毫米波做了一些優(yōu)化，重點(diǎn)提升毫米波的工作效率，降低通信時(shí)延和開銷。

R16還引入了很多支持毫米波的5G NR增強(qiáng)特性，例如集成接入及回傳(IAB)、增強(qiáng)型波束管理、雙連接優(yōu)化等。

以集成接入及回傳(Integrated Access Backhaul，IAB)為例。這是一項(xiàng)既有利于增強(qiáng)部署，又有利于節(jié)約成本開支的技術(shù)。

簡單來說，某基站具有光纖回傳資源，它周邊的其它基站可以通過毫米波與這個(gè)基站建立回傳關(guān)系，不需要每個(gè)基站都配備光纖回傳資源，只需要提供一個(gè)電力，就可以了。

目前正在進(jìn)行的R17版本，對(duì)毫米波進(jìn)行了增強(qiáng)，適配了更多的場(chǎng)景。同時(shí)，R17也將對(duì)頻譜進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展，支持從52.6GHz到71GHz的頻段以及60GHz免許可頻段，這將極大拓展毫米波頻譜的利用范圍。

▉ 毫米波的產(chǎn)業(yè)鏈

目前，全球幾個(gè)主流設(shè)備廠家都推出了自己的毫米波產(chǎn)品，基本上也都支持800MHz的帶寬。

終端芯片方面，早在2018年，第一代毫米波芯片就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用，當(dāng)時(shí)是支持n257、n260和n261頻段。到了2019年，第二代商用毫米波芯片實(shí)現(xiàn)了毫米波全頻段支持。

這其中，高通發(fā)力最早，目前已經(jīng)推出三代支持毫米波的5G解決方案驍龍X50、X55、X60。海思Balong5000基帶芯片以及三星Exynos5123芯片，均在2019年實(shí)現(xiàn)了對(duì)毫米波的支持。2020年，聯(lián)發(fā)科Helio M80也將加入。

預(yù)計(jì)2021年初，搭載驍龍X60的商用旗艦機(jī)將推出，屆時(shí)可支持NR高低頻雙連接和載波聚合，從而具備5G高低頻協(xié)同組網(wǎng)的能力。

終端方面，目前已經(jīng)有摩托羅拉、LG、三星、一加等手機(jī)廠商推出毫米波商用智能手機(jī)，包括中興通訊等廠家已經(jīng)推出了支持毫米波的CPE。

根據(jù)中興通訊分享的數(shù)據(jù)，經(jīng)粗略估計(jì)，現(xiàn)在大概有60多種終端支持毫米波。根據(jù)GSA截至今年8月的數(shù)據(jù)，已宣布的5G終端中有22.3%支持毫米波頻段。

有消息稱，蘋果也將很快發(fā)布支持毫米波的手機(jī)。

鑒于毫米波在產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的豐富應(yīng)用場(chǎng)景，毫米波模組也處于一個(gè)快速發(fā)展的階段。國內(nèi)包括移遠(yuǎn)通信在內(nèi)的模組廠家，都推出了毫米波模組，并能夠提供相配套的設(shè)計(jì)服務(wù)。

▉ 毫米波的未來

毫米波是5G的關(guān)鍵技術(shù)，也是特征技術(shù)。沒有毫米波的5G，很難稱之為完整的5G。

因此，我們不能沉浸在Sub-6頻段帶來的網(wǎng)絡(luò)性能有限提升之中，而應(yīng)該加緊對(duì)毫米波技術(shù)的研究，攻克難關(guān)，推動(dòng)其早日落地。

根據(jù)GSMA的預(yù)測(cè)，在2035年之前，毫米波技術(shù)將對(duì)全球GDP做出6560億美元的貢獻(xiàn)，占5G總貢獻(xiàn)的25%。包括虛擬現(xiàn)實(shí)、智能制造、醫(yī)療健康、智能交通等多個(gè)領(lǐng)域，都將從毫米波技術(shù)中獲益。

在中國，毫米波將創(chuàng)造的價(jià)值也尤為可觀。同樣是GSMA的預(yù)測(cè)，到2034年，在中國使用毫米波頻段將帶來的經(jīng)濟(jì)受益將產(chǎn)生約1040億美元的效應(yīng)，大約占亞太地區(qū)毫米波頻段預(yù)估貢獻(xiàn)值的一半。

現(xiàn)階段，關(guān)于推動(dòng)毫米波的商業(yè)化落地，還有很多工作需要做。

一方面，改善毫米波覆蓋能力的技術(shù)和方案還有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。毫米波頻段相對(duì)于其它頻段來說，還不夠成熟，包括移動(dòng)性管理能力等。毫米波的業(yè)務(wù)和組網(wǎng)也需要進(jìn)一步驗(yàn)證。毫米波的設(shè)備體系還需要進(jìn)一步完善。

另一方面，國內(nèi)毫米波使用的頻段急需明確(目前外場(chǎng)測(cè)試頻段是24.75-27.5GHz)。頻率是通信技術(shù)的先導(dǎo)，只有頻率明確了，產(chǎn)業(yè)鏈才有清晰的方向指引，也有投入資源的信心。

此外，毫米波的商業(yè)落地，還需要產(chǎn)業(yè)界更加緊密的合作、政策上更為明確的支持，以及垂直行業(yè)更多的業(yè)務(wù)示范場(chǎng)景。

這些都不是一日之功，需要一年甚至幾年的時(shí)間來逐步推進(jìn)。

相信到了2022年，毫米波一定能夠以更加成熟、更加完整的面貌與我們見面，再次掀起一股5G創(chuàng)新的熱潮!