揭秘毫米波技術(shù)！駕馭它，就算掌握5G終極武器

從今年開始如果你想換手機(jī)，那么5G將是一個(gè)難以回避的問題。作為被普遍認(rèn)為將變革社會(huì)生活方方面面的下一代無線通信技術(shù)，5G將憑借超高的無線網(wǎng)絡(luò)的速度、覆蓋范圍和響應(yīng)能力在未來迸發(fā)出無限能量。

 

 

5G相比以往4G的優(yōu)勢(shì)有很多，不過最重要、普通消費(fèi)者最關(guān)心的，恐怕還是突破想象的傳輸速率了。但是不知大家有沒有想過，5G的速度為何能實(shí)現(xiàn)10倍甚至100倍的提高?其實(shí)這背后涉及一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：毫米波。

事實(shí)上，小編在此前的文章中也曾提到過毫米波的相關(guān)技術(shù)，但并沒有深入講解，那么今天，小編不妨就帶大家近距離認(rèn)識(shí)一下毫米波。

一、毫米波究竟是什么，為什么這么重要?

前面我們說到，“高傳輸速率”是5G的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。那么怎樣提高傳輸速率呢?

首先我們明確，這里的傳輸速率，即單位時(shí)間里通過信道的數(shù)據(jù)量。在通信行業(yè)，關(guān)于信道傳輸速率，有這樣一個(gè)公式：

n=Rb/B

這個(gè)公式中，n為頻帶利用率，Rb為信道傳輸速率，B則為系統(tǒng)帶寬。將這個(gè)公式變一下：

Rb=n×B

不難看出，傳輸速率和頻帶利用率以及系統(tǒng)帶寬為正向關(guān)系，當(dāng)頻帶利用率越高，傳輸速率越高;系統(tǒng)帶寬越高，傳輸速率也越高。這就說明，要想提高信道傳輸速率，就有提高頻帶利用率和系統(tǒng)帶寬兩種方法。

OK，確立了這兩種方法后，我們先放一放，來復(fù)習(xí)一下無線通信的一些基本概念，這樣才能對(duì)這兩種方法有更深的理解。

我們所說的無線通信，就是利用無線電磁波進(jìn)行通信，翻中學(xué)的物理課本，我們還能找到那張熟悉的圖：

 

 

上面這張圖是電磁波譜，它是按照電磁波的頻率順序進(jìn)行排列的而畫出來的。頻率，是電磁波的重要性。

中學(xué)物理老師曾經(jīng)帶著我們研究的是可見光部分，而在無線通信領(lǐng)域，主要研究的是圖中綠色框線框起來的部分。

我們知道，無線通信的基本原理是將聲畫信息變換為含有聲畫信息的電信號(hào)，再把電信號(hào)“寄載”在比該信號(hào)頻率高得多的高頻振蕩信號(hào)上去，然后用發(fā)射天線以無線電波的形式向周圍傳播。

▼打個(gè)比方，整個(gè)無線電磁波的頻段就像一條“大路”，其中的高頻振蕩波(載波)就像運(yùn)載工具。

 

 

▲圖片來源：Wikipedia

前面說了，頻率是電磁波的重要特性，不同頻率的電磁波有不同的特性，也就意味著有不同的用途，所以我們?cè)陔姶挪ㄟ@條“大路”上進(jìn)一步劃分車道，分配給不同的對(duì)象和用途。具體的劃分比較復(fù)雜，我們用下面這張表來展示：

 

 

以往的移動(dòng)通信，主要走的是“中頻”到“超高頻”這段道路。在這段路上給各個(gè)國家運(yùn)營商劃分使用的頻段，就是我們所說的頻譜劃分。例如4G lTE標(biāo)準(zhǔn)中我們國家劃分的主要是超高頻的一部分頻譜資源。并且有一個(gè)趨勢(shì)：從1G到2G、3G再到4G，劃分的電波頻率越來越高。這其實(shí)是為了滿足更高傳輸速率的需要。

 

 

剛才我們說到這條“大路”，其中的一個(gè)載波就像運(yùn)載工具，而載波載著信號(hào)，經(jīng)歷編碼、調(diào)制、發(fā)送、媒介傳輸、接收、解碼、譯碼的整個(gè)路徑，就是我們廣義所說的信道，就像是一輛汽車從出發(fā)地道目的地的行進(jìn)軌跡，而信號(hào)，就是在信道中傳輸?shù)?。具體的傳輸方式，是以碼元(symbol)的形式傳輸。

好，這時(shí)我們回到前面說的頻帶利用率。什么是頻帶?對(duì)于信道來講，就是允許傳送的信號(hào)的最高頻率與最低頻率之間的頻率范圍。提高頻帶利用率，簡單說就是讓信道中單位時(shí)間里引入更多的碼元，從而提升速率。

但是這樣做也有不足。具體是怎么回事呢?簡單說一下。信號(hào)的調(diào)制是通過操縱無線電波的幅度和相位來形成載波的不同狀態(tài)，當(dāng)調(diào)制方式由簡單到多進(jìn)制時(shí)，載波狀態(tài)數(shù)增加，就表示一個(gè)碼元代表的信息量增加了。碼元增加，一個(gè)碼元代表的信息量增加，但是載波的幅度不變，那么每個(gè)碼元狀態(tài)之間的間距變小了，所以容易受到噪聲干擾而令碼元偏離原本應(yīng)該在的位置，造成解碼出錯(cuò)，同時(shí)功耗也會(huì)增大。

 

 

▲由簡單調(diào)制到復(fù)雜調(diào)制的狀態(tài)圖

聽起來略復(fù)雜，沒關(guān)系，大家只要知道其實(shí)頻帶利用率不是越高越好就行。所以，人們很自然地將目光轉(zhuǎn)向另一個(gè)更簡單粗暴的方法——提高頻譜系統(tǒng)帶寬。

但問題是目前常用的6GHz以下的頻段已經(jīng)基本沒有更多的資源可利用了(到4G時(shí)代已經(jīng)非常擁擠)。5G時(shí)代怎么辦呢?這時(shí)候，人們想到了過去一直沒太關(guān)注的毫米波頻段。

 

 

毫米波就位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍，其實(shí)它也是兼有兩種波譜特點(diǎn)的。

于是，在3GPP 38.101協(xié)議的規(guī)定中，5G NR主要使用兩段頻率：FR1頻段和FR2頻段。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，也就是我們這里所說的毫米波(mmWave)。

回到前面的那張表，可以看到，毫米波的波長在1mm-10mm之間，頻率則約為30GHz-300GHz。當(dāng)然，3GPP規(guī)定中是從24.25GHz開始，根據(jù)

波長=光速/頻率

這個(gè)公式可知，它的波長是12.37毫米，也可以叫厘米波，其實(shí)這里的定義并不是非常嚴(yán)格。

 

 

毫米波的最大特點(diǎn)是頻率很高，但是，在30-300GHz之間也不是所有頻段都可以隨意使用的，因?yàn)橛行╊l段效能比較差，所以目前很難被使用。3GPP協(xié)議38.101-2 Table 5.2-1中，為5G NR FR2波段定義了3段頻率，分別是：

n257(26.5GHz~29.5GHz);

n258(24.25GHz~27.5GHz);

n260(37GHz~40GHz);

它們都使用TDD制式。美國FCC則建議5G NR使用24-25 GHz (24.25-24.45/24.75-25.25 GHz)、32GHz (31.8-33.4 GHz)、42 GHz (42-42.5 GHz)、48 GHz (47.2-50.2 GHz)、51 GHz (50.4-52.6GHz)、70 GHz (71-76 GHz)和80 GHz(81-86 GHz)這幾個(gè)頻段。例如Verizon和AT&T已經(jīng)將目光瞄準(zhǔn)了28 GHz和39 GHz頻譜的很大一部分，芯片巨頭高通在16年推出的第一款5G調(diào)制解調(diào)器驍龍X50也支持28GHz頻段的5G運(yùn)行。

 

 

我們以28GHz和60GHz頻段為例，通信領(lǐng)域有一個(gè)原理，無線通信的最大信號(hào)帶寬大約是載波頻率的5%，所以兩者對(duì)應(yīng)的頻譜帶寬分別為1GHz和2GHz，而4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下，頻譜帶寬只有100MHz，毫米波的帶寬相當(dāng)于4G的10倍，這是一個(gè)遠(yuǎn)待開發(fā)的藍(lán)海。

這也就是未來5G信號(hào)傳輸速率會(huì)有極大提升的原因。

除了速率高，毫米波還有不少其他的好處。首先是，毫米波的波束很窄，相同天線尺寸要比微波更窄，所以具有良好的方向性，能分辨相距更近的小目標(biāo)或更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。

 

 

關(guān)于這一點(diǎn)，這里要展開一下，后面也會(huì)講到。

可能有同學(xué)會(huì)問，什么是波束?

小編打個(gè)比方，在黑暗中打開手電筒，光線照射的方向就很像波束。因?yàn)樵诳臻g傳播過程中，無線信號(hào)的質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)衰減，但是它的能量傳播仍然是有方向的，這就形成了波束。就像手電筒有照射方向，光線會(huì)在這個(gè)方向的兩側(cè)逐漸分散，通信領(lǐng)域里，開始下降固定功率的兩側(cè)形成的夾角，就是波束的寬度。

 

 

波束寬度和天線增益有關(guān)，所謂天線增益，簡單理解就是天線能將能量集中到一定方向的能力，就像手電筒能將燈泡光線多大程度聚集到一起的能力。一般天線增益越大，波束就越窄，這很好理解。

那天線增益和什么有關(guān)呢?答案是波長。關(guān)于天線增益有一個(gè)公式：

 

 

G表示天線增益，Ae表示天線有效孔徑。從這個(gè)公式中能夠看出來，波長越短，天線增益越大，波束就越窄。毫米波的波長很短，也就造成了它的窄波特性。

這里說到天線，順便說一下，根據(jù)通信原理，天線長度與波長成正比，比例大約是1/10~1/4，毫米波的波長在毫米級(jí)，對(duì)應(yīng)的天線也就更短了，所以，在手機(jī)中使用毫米波技術(shù)，天線尺寸也可以更小。

當(dāng)然，具體它們的關(guān)系還很復(fù)雜，小編只是大致梳理了一下關(guān)系，深入地就不方便繼續(xù)展開了。

毫米波還有一個(gè)特點(diǎn)，就是傳輸質(zhì)量高。這主要是由于它的頻率非常高，所以毫米波通信基本上沒有什么干擾源，電磁頻譜極為干凈，信道非常穩(wěn)定可靠。

另外毫米波的安全性也比較高，因?yàn)楹撩撞ㄔ诖髿庵袀鞑ナ苎?、水氣和降雨的吸收衰減很大,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直通距離很短,超過距離信號(hào)就會(huì)很微弱，這增加了被竊聽和干擾的難度。剛才說到毫米波波束窄，副瓣低，這也讓它很難被截獲。

毫米波可以極大提升無線通信傳輸速率，這已經(jīng)足夠誘人，并且還有這些附帶的優(yōu)勢(shì)，那么為什么這么多年一直沒有被商用在手機(jī)通信領(lǐng)域中呢?這是因?yàn)?，毫米波也有一些天然的缺陷，所謂硬幣的兩面，同樣的特性，有優(yōu)勢(shì)，也有不足，這些不足令很多年來人們對(duì)毫米波的商用“望洋興嘆”。

毫米波最主要的不足，就是傳輸性能比較差，這體現(xiàn)在三個(gè)方面：

第一是這些頻譜傳得不太遠(yuǎn)，比如在全向發(fā)射時(shí)，這些頻譜的能量發(fā)散比較快，容易衰弱，無法傳播到很遠(yuǎn);

第二是繞射能力差，容易被樓宇、人體等阻擋、反射和折射，這很容易理解，想一個(gè)極端的例子，可見光，可見光的波長比毫米波更短，頻率更高，它就很難穿過大部分物體;

第三是毫米波還受限于很多空間因素，其中一個(gè)主要因素就是水分子對(duì)于這些頻譜的吸收程度很高，比如這些頻譜在下雨時(shí)、穿過樹葉、穿過人體時(shí)，它們衰弱非?？?。

還有一個(gè)原因是，生產(chǎn)能工作于毫米波頻段的亞微米尺寸的集成電路元件在過去一直比較困難，需要比較大的金錢投入，這樣阻礙了它的商用。

二、毫米波雖難用，但也有辦法駕馭

毫米波具有上面這些缺陷，所以過去很長一段時(shí)間里難以商用。不過隨著通信技術(shù)的發(fā)展，目前行業(yè)已經(jīng)有比較成熟的駕馭毫米波的方法。這里主要有波束成形技術(shù)、大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)技術(shù)等。

這一部分我們就來介紹一下克服毫米波缺陷、并使其能夠應(yīng)用于消費(fèi)場(chǎng)景的技術(shù)。

首先是大規(guī)模天線技術(shù)。前面我們?cè)谥v解毫米波波束寬度的時(shí)候說到毫米波波長很窄，其實(shí)，毫米波波長很短影響了天線增益，也間接影響接受功率功率。

 

 

 

 

上面這個(gè)公式是空間自由傳播模型(理想傳播模型)的接收天線功率計(jì)算公式，結(jié)合我們前面提到的天線增益計(jì)算公式，可以看到，當(dāng)發(fā)射端的發(fā)射功率和天線增益固定時(shí)，接收端的接收功率與天線有效孔徑成正比關(guān)系，與發(fā)射天線和接收天線之間的距離的平方成反比。

所以波長對(duì)天線孔徑尺寸的影響，也會(huì)間接影響到功率。相比較以往運(yùn)用的厘米波甚至更長的波段，毫米波波長更短，信號(hào)衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致接收天線接收到的信號(hào)功率減少。而接收端的功率減少，顯然是不行的。

這種情況下，我們不能隨意增加功率，因?yàn)閲覍?duì)天線的功率有限制，減少發(fā)射天線和接收天線之間的距離也是不顯示的，畢竟人拿著手機(jī)是在不斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的，所以，人們想到一個(gè)解決方法：增加發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量。

大規(guī)模MIMO技術(shù)就是基于這種思路產(chǎn)生，它還有一個(gè)名字，叫“多進(jìn)多出”(Multiple-Input Multiple-Output)，多根天線發(fā)送，多根天線接收。

 

 

其實(shí)多輸入多輸出MIMO技術(shù)不是新技術(shù)，傳統(tǒng)的TDD網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)2天線、4天線甚至8天線的多進(jìn)多出，而在5G的大規(guī)模MIMO理念下，理論上天線數(shù)量可以是成百上千個(gè)，考慮到成本等各種因素，現(xiàn)階段主要是64/128/256個(gè)。

大規(guī)模MIMO技術(shù)下，主要的優(yōu)點(diǎn)自然是在單根天線功率很低的情況下依然能獲得很好的信號(hào)質(zhì)量，因?yàn)橛泻芏嗵炀€同時(shí)發(fā)力，在波束成型技術(shù)(接下來會(huì)講)的支持下令信號(hào)疊加增益，從而滿足系統(tǒng)的功率需，同時(shí)也避免了使用大動(dòng)態(tài)范圍功率放大器帶來的硬件成本。

另外一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是增加了通信容量。大規(guī)模MIMO具備波束空間復(fù)用的特性，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個(gè)數(shù)據(jù)信道(MIMO子信道)發(fā)射信號(hào)，從而使得容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。

 

 

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，基站天線數(shù)增多，形成陣列，除了水平方向外，還可以在垂直方向上進(jìn)行波束成形和波束導(dǎo)向，從而提升整個(gè)空間的覆蓋，并且利用波束成型技術(shù)能夠把所傳輸?shù)男盘?hào)集中到空間的一個(gè)點(diǎn)上，讓基站能夠精確分辨每一個(gè)用戶，從而提高了空間分辨能力。

在大規(guī)模MIMO技術(shù)中，我們反復(fù)提到一個(gè)技術(shù)，就是波束成型，這項(xiàng)技術(shù)可以說是大規(guī)模MIMO的基礎(chǔ)技術(shù)。前面我們有講到，毫米波的波束很窄，而且在全向發(fā)射時(shí)，會(huì)出現(xiàn)高達(dá)幾十dB的信號(hào)衰減損耗，導(dǎo)致傳播距離有限。

而波束成型技術(shù)，主要思路就是用一張“手”，將散開的波束集中起來，不擴(kuò)散不浪費(fèi)，形成定向發(fā)射，具體來說就是通過調(diào)節(jié)各天線的相位使信號(hào)進(jìn)行有效疊加，產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)增益來克服損，從而讓發(fā)射能量可以匯集到用戶所在位置。

 

 

如此一來，有了波束成型技術(shù)，指哪打哪豈不是美滋滋?

不不不，其實(shí)這樣也有缺點(diǎn)，就是它不像全向發(fā)射，一旦波束的指向偏離用戶，用戶反而接收不到高質(zhì)量的無線信號(hào)。面對(duì)這種問題，除了大規(guī)模MIMO，還需要結(jié)合波束管理技術(shù)來解決。

波束管理技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)方式很復(fù)雜，但簡單來說，就是在大規(guī)模MIMO的眾多波束中，以最快的速度找到基站和目標(biāo)用戶之間最佳的發(fā)射波束和接收波束，從而大大提高波束對(duì)準(zhǔn)的精度。

在這里舉個(gè)例子，高通去年推出的QTM052毫米波天線模組，就支持大規(guī)模MIMO和波束成型技術(shù)，在該模組中，高通利用多個(gè)天線形成相控天線陣列，天線之間的信號(hào)經(jīng)過互相干涉影響，能把信號(hào)能量集中在一個(gè)方向發(fā)射出去;同它們不再使用全向發(fā)射，而是選擇定向發(fā)射，從而使得能量能夠傳輸?shù)酶h(yuǎn)，以提高覆蓋。

在此基礎(chǔ)上高通還使用了波束導(dǎo)向技術(shù)和波束追蹤技術(shù)，能夠更智能地追蹤傳輸對(duì)象，控制波束的方向。

三、毫米波，應(yīng)用場(chǎng)景比擬想象中更廣

說了這么多毫米波的特性，以及將它商用的技術(shù)，其實(shí)最終目的就是兩個(gè)字——用它。

事實(shí)上，毫米波在未來的應(yīng)用場(chǎng)景可能超出想象。首先，毫米波的特性決定了它可以主要被應(yīng)用在大帶寬、高容量的場(chǎng)景，面向高頻段的eMBB場(chǎng)景，可用于人口密度大、網(wǎng)絡(luò)容量需求大的熱點(diǎn)區(qū)域。

 

 

首先，毫米波很適合在大型場(chǎng)館如音樂會(huì)、體育館等人口密集區(qū)域進(jìn)行部署，可以帶來數(shù)千兆比特的速率以及低時(shí)延和無限容量的體驗(yàn)，以往在萬人體育場(chǎng)觀看演出時(shí)手機(jī)信號(hào)幾乎為零、上不了網(wǎng)的情況不會(huì)再有，可以為觀眾帶來獨(dú)有的個(gè)性化體驗(yàn)。

 

 

這里有一點(diǎn)小編需要補(bǔ)充的，就是毫米波的波長很小，所以天線也可以做得很小，這樣未來在5G毫米波部署時(shí)，在普通宏基站基礎(chǔ)上一定會(huì)有很多微基站(就是小基站)得到部署，在城區(qū)街頭、室內(nèi)角落，你都有可能看到。

這樣，毫米波就可以更好地在室內(nèi)場(chǎng)景部署應(yīng)用，這是它的強(qiáng)項(xiàng)，采用1:1或部分共址，實(shí)現(xiàn)媲美WiFi的上行和下行鏈路覆蓋，還可以利用更大的帶寬滿足實(shí)現(xiàn)數(shù)千兆比特中指突發(fā)速率的需求，總之就是讓你的上網(wǎng)體驗(yàn)更優(yōu)質(zhì)。

 

 

另外，毫米波還可用于固定無線寬帶接入業(yè)務(wù)，滿足典型如4K、8K電視的傳輸需求，滿足市郊居民區(qū)的視頻需求，一個(gè)典型的場(chǎng)景是家里購買一臺(tái)CPE設(shè)備部署無線網(wǎng)絡(luò)，然后即可通過電視聯(lián)網(wǎng)觀看高達(dá)8K的超高清視頻，當(dāng)然，前提是你有足夠的流量。

未來，毫米波還可在汽車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用，它可為聯(lián)網(wǎng)汽車通信提供所需的更高數(shù)據(jù)傳輸速率與準(zhǔn)確度，同時(shí)提高雷達(dá)作業(yè)的分辨率，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的駕駛安全輔助。

毫米波還有一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，就是軍事。其實(shí)毫米波在軍事領(lǐng)域目前已經(jīng)有應(yīng)用，其豐富的頻率資源不僅是寬帶通信的重要手段，還提供了另一條抗干擾、抗截獲的有效途徑。不過這一點(diǎn)距離我們普通消費(fèi)者就比較遠(yuǎn)了。

四、毫米波，已經(jīng)在路上

說了這么多，大家是不是對(duì)毫米波在未來的應(yīng)用越來越期待?或者說，對(duì)即將到來的5G時(shí)代越來越期待?

其實(shí)不用著急，從今年開始，第一批5G手機(jī)將陸續(xù)上市。例如在安卓陣營，他們絕大部分將采用高通驍龍855+驍龍X50 5G調(diào)制解調(diào)器的方案，前面我們也說過，驍龍X50是首款支持28GHz毫米波頻段上數(shù)據(jù)連接的5G調(diào)制解調(diào)器芯片組，也就是說，在毫米波的應(yīng)用上，高通已經(jīng)早早給出了成熟可商用的解決方案。當(dāng)然，正在今年的MWC2019期間，高通也發(fā)布了第二代5G射頻前端解決方案，支持更纖薄、更高效的5G多模移動(dòng)終端，其中包括新一代毫米波天線模組QTM525。

 

 

相信，隨著5G商用部署進(jìn)程的不斷推進(jìn)，5G終端在未來的上市，毫米波，將切切實(shí)實(shí)服務(wù)于我們?nèi)粘５挠镁W(wǎng)需求，甚至，毫米波的超強(qiáng)性能催生新鮮的終端設(shè)備，將為我們以往的生活?yuàn)蕵泛凸ぷ鞣绞綆矸旄驳氐淖兓?。而這一天，在基礎(chǔ)連接技術(shù)提供商、運(yùn)營商以及終端廠商的合作努力下，正在一步一步地走來。