5G 毫米波，距離我們還有多遠

　　根據預測，到今年年底，國内 5G 基站的數量将可能達到 70 萬個。

　　就在 5G 建設如火如荼的同時，随着 R16 版本的凍結，人們逐漸将關注目光放在 5G 下一階段關鍵技術上。這其中，就包括号稱 5G 殺手锏的毫米波技術。

　　我們知道，3GPP 定義的 5G 無線電頻段範圍有 2 個，分别為 FR1 頻段和 FR2 頻段。

　　早期的時候，FR1 頻段的頻率範圍是 450MHz-6GHz，又叫 Sub-6 GHz 頻段。

　　後來，FR1 被 3GPP 改為 410-7125MHz，但 Sub-6 的稱呼習慣被保留下來。

　　而 FR2 頻段的頻率範圍，是 24.25GHz-52.6GHz。

　　因為 FR2 頻段中，多數頻率的波長小于 10 毫米，所以 FR2 也被稱為 “毫米波(mmWave)”頻段。

　　2019 年，國際電聯世界無線電通信大會 (WRC-19) 期間，各國代表經過激烈讨論，确認了 5G 毫米波的法定頻譜範圍：

　　全球範圍内，将 24.25GHz-27.5GHz、37GHz-43.5GHz、66GHz-71GHz 頻段，标識用于 5G 及國際移動通信系統(IMT)未來發展。45.5GHz-47GHz、47.2GHz-48.2GHz 頻段，可以在部分國家地區用于 5G 及 IMT。

　　ITU 批準的毫米波頻段

　　頻譜資源的确定，極大地鼓舞了産業界對毫米波的信心，刺激了毫米波技術的發展。

　　目前，全球已有超過 120 家運營商正在投資毫米波。

　　根據 2020 年 8 月份的數據，目前全球範圍内已經有 22 家運營商部署了毫米波 5G 系統。其中，進展最快的，是包括美國在内的北美地區。

　　衆所周知，美國因為 Sub-6 頻段資源極其緊缺(大量被軍方占用)，所以将毫米波頻段作為 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)。之後，美國也進行了 Sub-6GHz 頻譜拍賣。

　　緊随其後的是日本和韓國。他們将毫米波用于重點區域的覆蓋，所使用的頻段也是 28GHz 為主。

　　再往後是歐洲和澳洲。

　　意大利已經進行了毫米波頻譜資源的拍賣，德國和英國正在計劃之中。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，頻譜拍賣的計劃已經正式宣布。

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

　　主要原因，正如前面所說，是因為我們的 Sub-6 頻段資源相對較為充裕(我們是少數可以在 Sub-6 頻段連續分配 100MHz 頻率資源的國家)，所以對毫米波的需求并不像美國那麼迫切。

　　當然了，不急并不代表不上。

　　目前國内關于毫米波的測試早已啟動，正在緊鑼密鼓地進行之中。據中國移動專家介紹，外場測試的結果跟理論分析數值比較吻合，有效提升了行業對毫米波的信心。

　　中國毫米波測試進展(圖片來自中國移動)

　　政策方面，工信部之前就有明确發文，要求：“适時發布部分 5G 毫米波頻段頻率使用規劃”，“組織開展毫米波設備和性能測試，為 5G 毫米波技術商用做好儲備”。(《工業和信息化部關于推動 5G 加快發展的通知》，2020-3-24)

　　三大運營商也都有各自的毫米波商用計劃時間表。例如中國移動的專家就透露，将在 2022 年具備毫米波的規模商用能力。中國聯通則表示，将在 2021 年 6 月完成冬奧場館設備部署和毫米波應用産品體驗部署，在 2022 年北京冬奧會進行毫米波技術的展示和應用。

　　如果說美國使用毫米波是被逼無奈，那麼為什麼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有關。

　　毫米波的特點，就是頻段資源豐富。相比于 Sub-6 頻段分配資源時隻能 5MHz、10MHz、20MHz 這樣擠牙膏(能有 100MHz 要感動到哭)，毫米波可以輕松分配 100MHz 以上的帶寬資源，甚至達到 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 數倍。

　　之前我們看到過國内很多人對 5G 進行測速，基本上就是 1Gbps 左右。毫米波的話，根據前文提到的中國移動外場測試結果，小區峰值速率達到了 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延，有利于高可靠、低時延業務的部署。

　　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的定位，尤其是室内環境中，非常好用。

　　毫米波有非常明顯的優勢，也有非常明顯的劣勢，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，信号極容易受到遮擋阻斷。

　　有測試數據顯示，混凝土牆體對毫米波的損耗可能高達 60~109dB。這就意味着，毫米波幾乎不具備穿牆的能力。想要通過室外宏站覆蓋室内，幾乎不可能。

　　玻璃同樣也是毫米波的天敵，會帶來明顯的損耗。即便是人體或樹木，都會對毫米波造成顯著影響。

　　所以，如何對毫米波進行合理部署，如何提高毫米波的覆蓋能力，是毫米波成功實現商業落地的前提條件。

　　目前來看，提升毫米波覆蓋的主要方式和思路包括：

　　一、直接提升發射功率，例如 EIRS(等效全向輻射功率)，進而提升覆蓋範圍。

　　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，寬波束适合增加覆蓋面積，窄波束适合增加覆蓋距離，兩者進行平衡。

　　三、引入恒介電常數透鏡天線(如龍勃透鏡天線)，獲得更高的天線增益。

　　四、采用反射闆等裝置，通過增加反射路徑，減少覆蓋盲區。

　　五、引入碳化矽、氮化镓等新材料技術，增加功率和性能。

　　六、采用高低頻混合組網，彌補高頻覆蓋的弱點，同時發揮高頻大流量的優點。

　　七、采用 MTRP、IAB 等技術，優化鍊路路由，改善信号覆蓋，增強信号魯棒性(健壯性)。

　　5G毫米波，距離我們還有多遠

　　MTRP：讓手機終端可以同時接收兩個基站的信号。當一個發生遮擋，不會影響另外一個信号的傳輸。

　　随着技術的不斷演進，目前毫米波在室外視距(LOS)傳播已經可以達到 1-2 公裡，非視距的話，整體覆蓋在 100-200 米之間(基站 EIRP>60dBm)。

　　上個月，高通、Casa Systems 和愛立信在澳大利亞成功完成了全球增程毫米波 5G NR 數據呼叫，實現了迄今距離最遠(3.8 公裡)的連接，展現毫米波技術的強大遠程傳輸能力。

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

　　我們先來了解一下毫米波的應用場景，看看它到底适合部署在哪些場所。

　　毫米波的大帶寬、低時延、弱覆蓋特點，決定了它主要适合三類場景：

　　第一類，是密集人群超大業務流量區域的熱點覆蓋。例如車站、機場等交通樞紐，體育場、商場、劇院等人群集中區域。

　　這些區域終端數量多，流量需求大，借助毫米波的部署，可以形成網絡的高通量層，提升網絡容量的上限。

　　特别值得一提的是 VR/AR。這類場景目前對帶寬有很高的需求，尤其是多終端場景下，以 8K VR 為例，50 個設備，大約是 5Gbps，是需要毫米波去滿足的。

　　聯通冬奧會計劃打造大帶寬無線場館，服務于高清全景賽事直播的同時，滿足觀衆、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、智慧工廠、智慧醫院、智慧學校、智慧碼頭等産業互聯網場景。

　　5G 賦能百行千業，引領各行各業的數字化轉型。除了大帶寬外，行業場景往往都有低時延、高可靠性的需求，也就是 5G uRLLC 場景需求。

　　以智能制造為例，機械臂等設備的運行，高精度檢測設備的工作，都對時延有很高的要求，借助毫米波的大帶寬和低時延，輔以 MEC 邊緣計算及 AI 人工智能技術，才能夠很好地滿足現場需求，做到 5G 落地。

　　第三類場景，大家可能不太容易想到，那就是固定無線寬帶接入(FWA)。

　　我們國家光纖基礎設施比較完善，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，光纖敷設成本也很高，就會考慮 CPE 等無線寬帶接入方式。

　　其實很簡單，就是用毫米波做最後一公裡的接入。将 5G 信号通過毫米波傳送給用戶家庭 CPE 設備，然後轉換為 Wi-Fi 或有線信号，讓用戶實現寬帶上網。如下圖所示：

　　固定無線寬帶接入

　　這種方式，對于密集住宅區非常有效，成本遠低于光纖。

　　同樣的，國外也有将毫米波用于基站回傳，也可以滿足特定場景環境的需求。

　　3GPP 在 5G 第一個版本，也就是 R15 版本中，就針對毫米波工作頻段進行了标準化，開展了建模研究，給出了基本的功能版本。

　　在今年 6 月份凍結的 R16 版本中，3GPP 對毫米波做了一些優化，重點提升毫米波的工作效率，降低通信時延和開銷。

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

　　支持毫米波的 5G NR 增強特性

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

　　IAB 架構示意圖

　　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基站建立回傳關系，不需要每個基站都配備光纖回傳資源，隻需要提供一個電力，就可以了。

　　目前正在進行的 R17 版本，對毫米波進行了增強，适配了更多的場景。同時，R17 也将對頻譜進行進一步擴展，支持從 52.6GHz 到 71GHz 的頻段以及 60GHz 免許可頻段，這将極大拓展毫米波頻譜的利用範圍。

　　目前，全球幾個主流設備廠家都推出了自己的毫米波産品，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實現商用，當時是支持 n257、n260 和 n261 頻段。到了 2019 年，第二代商用毫米波芯片實現了毫米波全頻段支持。

　　3GPP 定義的 FR2 頻段(TS 38.104)

　　這其中，高通發力最早，目前已經推出三代支持毫米波的 5G 解決方案骁龍 X50、X55、X60。海思 Balong5000 基帶芯片以及三星 Exynos5123 芯片，均在 2019 年實現了對毫米波的支持。2020 年，聯發科 Helio M80 也将加入。

　　預計 2021 年初，搭載骁龍 X60 的商用旗艦機将推出，屆時可支持 NR 高低頻雙連接和載波聚合，從而具備 5G 高低頻協同組網的能力。

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

　　根據中興通訊分享的數據，經粗略估計，現在大概有 60 多種終端支持毫米波。根據 GSA 截至今年 8 月的數據，已宣布的 5G 終端中有 22.3% 支持毫米波頻段。

　　有消息稱，蘋果也将很快發布支持毫米波的手機。

　　鑒于毫米波在産業互聯網的豐富應用場景，毫米波模組也處于一個快速發展的階段。國内包括移遠通信在内的模組廠家，都推出了毫米波模組，并能夠提供相配套的設計服務。

　　▉毫米波的未來

　　毫米波是 5G 的關鍵技術，也是特征技術。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 頻段帶來的網絡性能有限提升之中，而應該加緊對毫米波技術的研究，攻克難關，推動其早日落地。

　　根據 GSMA 的預測，在 2035 年之前，毫米波技術将對全球 GDP 做出 6560 億美元的貢獻，占 5G 總貢獻的 25%。包括虛拟現實、智能制造、醫療健康、智能交通等多個領域，都将從毫米波技術中獲益。

　　在中國，毫米波将創造的價值也尤為可觀。同樣是 GSMA 的預測，到 2034 年，在中國使用毫米波頻段将帶來的經濟受益将産生約 1040 億美元的效應，大約占亞太地區毫米波頻段預估貢獻值的一半。

　　現階段，關于推動毫米波的商業化落地，還有很多工作需要做。

　　一方面，改善毫米波覆蓋能力的技術和方案還有待進一步研究和驗證。毫米波頻段相對于其它頻段來說，還不夠成熟，包括移動性管理能力等。毫米波的業務和組網也需要進一步驗證。毫米波的設備體系還需要進一步完善。

　　另一方面，國内毫米波使用的頻段急需明确(目前外場測試頻段是 24.75-27.5GHz)。頻率是通信技術的先導，隻有頻率明确了，産業鍊才有清晰的方向指引，也有投入資源的信心。

　　此外，毫米波的商業落地，還需要産業界更加緊密的合作、政策上更為明确的支持，以及垂直行業更多的業務示範場景。

　　這些都不是一日之功，需要一年甚至幾年的時間來逐步推進。

　　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 創新的熱潮!