千亿级规模的5G毫米波离我们有多远？

毫米波是指波长为毫米级的电磁波，通常所处频段为30 - 300 GHz，往往也包含24 GHz 以上频段。5G网络需要毫米波来支持更高的速率和更低的时延，为各种新型应用提供通信基础设施。相比于4G ，5G一个关键的提升就是能够利用更多的频谱资源来满足不同种类的业务需求，其中就包括使用毫米波的频段资源来实现极高带宽和极低时延。

随着业务对带宽需求的不断增加，通信频谱不断向更高频谱延伸，5G毫米波具有丰富的频率资源，是移动通信技术演进的必然方向。2020 年，5G已经开始规模商用，整个产业界的目光都开始投向5G下一阶段部署的关键技术，其中5G毫米波倍受业界关注和重视。5G毫米波具有高带宽、低时延等突出优势，能够充分释放5G的全部潜能，从而实现业务体验的提升和千行百业的数字化转型，真正实现“4G改变生活、5G改变社会”的愿景。毫米波和中低频段的Sub-6GHz都有各自的技术优势，5G毫米波和Sub-6GHz互相配合和补充才能够充分释放5G的全部潜能，为变革用户体验和推动行业数字化转型提供关键赋能。

据GSMA及相关市调机构预测，5G毫米波作为高速接入、工业自动化、医疗健康、智能交通、虚拟现实等方面的核心使能技术，预计将在2035 年之前对全球GDP做出5650 亿美元的贡献，占5G 总贡献的25%;在2034年之前，预计在中国使用5G毫米波频段所带来的经济受益将达到约1040亿美元，其中垂直行业领域中的制造业和水电等公用事业占贡献总数的62%，专业服务和金融服务占12%，信息通信和贸易占10%。

GSMA在其《5G毫米波技术白皮书》中对这一技术的优势做了很好的总结，其最重要的优势在于频率资源丰富、带宽极大。5G毫米波比5G Sub-6 GHz 频段(FR1)具有更丰富的频谱资源(如图3 所示)，是5G网络提供千兆连接能力的主要方式。要达到5G最高速率要求，就必须使用5G毫米波。

图1：5G毫米波频段频率资源丰富且带宽大。

5G毫米波网络可轻易实现Gbps级别的峰值吞吐率。比如在26 GHz频段内分配连续800MHz频谱，可以采用四个单载波200MHz(4*200MHz)或者八个单载波100MHz(8*100MHz)实现载波聚合传输。基于3GPP标准可用的信道宽度和调制方式，结合先进的天线设计和射频处理技术，5G毫米波系统可以轻松获得数 Gbps 以上的峰值数据吞吐率。目前5G毫米波已经在部分国家和地区商用，基于Ookla SPEEDTEST最新实测结果，5G Sub-6GHz网络的平均下载速率比4G LTE快5倍，而5G毫米波网络的平均下载速率与5G Sub-6 GHz 相比又快了4倍，平均速率高达900Mbps，峰值速率超过2Gbps。这一结果是在400MHz 带宽实现的，未来使用800MHz 带宽将有望得到更好的结果。因此，与5G sub-6 GHz相比，5G毫米波技术对于用户峰值速率仍有很大提升空间。

图2：Ookla SPEEDTEST实测数据。(来源：高通)

5G毫米波的第二个优势是易与波束赋形技术结合。5G毫米波的频段高、波长短，使得其在设计和部署上有空间优势，非常适合与波束赋形技术相结合，增强性能并降低干扰。在典型天线阵列配置下，假设基站有256个天线阵子，5G毫米波能够获得的理论波束赋形增益可达24dB;若终端有8根天线，增益可达9dB。例如，在进行室外覆盖时，如果5G毫米波基站和4G LTE 基站完全共站部署，数量相等的话，5G毫米波网络下行覆盖率可以达到77%。如果稍微增加5G毫米波基站数量，下行覆盖率可以达到95%。

5G毫米波的第三个优势是可实现极低时延。5G毫米波系统空口时隙长度是目前主流5G中低频系统的1/4，空口时延显著降低，是满足5G 空口时延小于1ms 的有力保证，可实现5G网络对工业互联网、AR/VR、云游戏、实时云计算等URLLC(高可靠低时延)业务的质量承诺。例如，AR/VR业务为保证多感官协调体验和交互能力，需要毫秒级的时延;典型的工业机器人网络对于时延的要求也要达到毫秒级;产品线上的远程实时控制也需要毫秒级的时延保证;而工业视觉等引入人工智能所需的大规模计算往往需要在一定距离外进行，对空口时延有亚毫秒级别的严格要求。

5G毫米波的第四个优势是可支持密集小区部署。5G毫米波系统可利用波束定向的特点将信号能量聚焦在特定方向来减小对其它非目标对象的干扰，保证邻近链路或者邻近小区通信质量，很适合在大型场所如会议室、音乐会、体育馆、地铁站等人口密集区域进行部署。

5G毫米波的第五个优势是可进行高精度定位。5G毫米波波束窄、方向性好，有极高的空间分辨力;同时由于信号传输周期小、时间精度高，5G毫米波有望实现厘米级的定位。即使和全球卫星定位导航系统相比也有精度和速度上的优势，尤其在卫星导航信号较弱的室内环境，5G毫米波的定位能力将发挥更为重要的作用。

5G毫米波的这些技术优势，将为行业开创超越想象的商业应用前景。目前能够预测的是，5G毫米波将在室内外交通枢纽与场馆等热点覆盖应用场景、家庭和写字楼的固定无线接入(FWA)、以及工业互联网等行业用例中大有可为。在室内外交通枢纽与场馆等应用场景中，用户数多，高峰时期数据业务需求极大，毫米波能够很好地满足这些热点区域的连接需求。此外，在家庭和写字楼的网络部署中，5G毫米波可作为中低频基站的回传，或者通过CPE提供宽带服务，实现对高清视频、AR/VR等业务的良好支持。而在工业互联网领域，相关测试表明，即使在复杂的工业环境中，5G毫米波技术加上超可靠低时延通信(URLLC)技术能够提供出色性能，满足工业机器人网络低至1毫秒时延和高达99.9999%连接可用率的严苛要求，并能同时为高密度部署的工业手持设备及监控摄像头提供高清视频传输。

5G毫米波因为频段高、传播损耗高、绕射和衍射能力弱，覆盖相对受限，这是5G毫米波通信系统面临的最大挑战。根据中国联通的实测结果，5G毫米波的穿透损耗远高于Sub-6GHz，同时恶劣天气如雨、雪、雾等对毫米波的传播也有不利影响。这使得业界对5G毫米波产生了“误区”，以为它只能够实现视距传输和固定传输。然而现在已经有多种解决方案来解决5G毫米波信号衰减和阻挡的问题。

首先，5G毫米波通过先进的波束赋形技术增加EIRP(等效全向辐射功率)，提升覆盖能力，能够轻松实现数百米的信号传输，缓解路径损耗问题。这项技术不仅通过仿真实验得到了验证，而且在外场测试和商用部署中也得到了充分检验。其次，在5G标准化中，5G毫米波波束管理成为5G毫米波标准化的工作重点，其中包括波束搜索、波束跟踪以及波束切换等，使5G毫米波系统能在部分方向信号受到遮挡的情况下迅速捕捉新波束并动态地实施波束切换。最后，半导体材料和封装技术的进步也推动着5G毫米波技术快速发展，可将大规模阵列天线和射频链路整合成性价比更高的相位阵列射频器件(RFIC)，从硬件上为5G毫米波系统提供强大支持。

针对这些挑战，高通公司中国区研发负责人徐晧博士透露，高通的思路是通过完整的系统级解决方案来提供更有效的集成和优化。例如，骁龙5G调制解调器及射频系统集成了调制解调器、射频收发器和射频前端的芯片组，以及毫米波天线模组和软件框架。高通拥有整个系统的所有关键组件，可在系统的所有子组件层面协同设计硬件和软件，进行先进技术的创新和技术优化，比如可支持最优上行链路吞吐量、同时满足传输上限的Smart Transmit技术;可实现出色传输能效与网络性能的宽频带包络追踪技术;可支持更高吞吐量、更高通话可靠性、更广网络覆盖范围的Signal Boost技术;可实现出色接收能效的5G PowerSave技术等。

目前主流设备和芯片厂商均支持800M带宽，高通已有多代商用毫米波天线模组产品能够支持毫米波全频段。此外，海思Balong 5000、三星Exynos 5123、联发科Helio M80等系列芯片也能够支持毫米波。在移动终端方面，一加、摩托罗拉、三星、LG、联想、宏碁、SierraWireless、移远通信、广和通、Telit、Inseego、Netgear、OPPO、友讯(D-Link)、亚旭、夏普等业界领先厂商发布了多样化5G毫米波商用终端，覆盖智能手机、PC、热点和固定无线接入CPE等。在一加与爱立信共同完成的2020年IMT-2020毫米波终端测试中，使用一加8手机，配合爱立信基站，4cc下行吞吐率可达2.1Gbps，最大距离可达1.2公里。

解决5G毫米波覆盖问题的另一个解决方案是采用小蜂窝(Small Cell )技术。在5G 时代，单一基站类型很难满足所有通信需求和部署场景。与5G中低频宏站相比，5G毫米波Small Cell 基站覆盖半径相对较小，部署密度更大，可以通过减小通信距离来保证高峰值吞吐量，并通过提高部署密度来充分保证覆盖效果。Small Cell 基站部署场景广泛， 既能室内部署，也能室外部署，为匹配不同部署场景和使用需求，可以采用从分布式到集中式等不同5G 网络架构形态，最典型的部署场景是各种热点地区，比如会议室、大型体育场馆、音乐厅，各类交通枢纽如机场、火车站、地铁站等。

5G毫米波面临的第二个挑战是终端移动管理问题。由于高频信号传播特点，5G毫米波小区覆盖半径通常较小，终端在移动状态下由于小区切换较频繁而易于出现数据传输中断。3GPP标准针对这一问题提出了小区切换方案和快速波束恢复机制。此外，运营商可以采取“5G Sub-6 GHz+4G LTE+毫米波”的5G 部署策略，利用载波聚合(CA)技术和双连接(DC) 技术将中低频和5G毫米波有机结合起来，以提供极致的用户体验。

5G毫米波面临的第三个挑战是产品复杂性高，实现难度大，特别是天线设计。针对这一挑战，业界提出了AiP(Antenna in Package)方案，借助封装材料与工艺的进步，将天线、射频收发器和射频前端集成在封装内，以实现系统级的无线通信功能。AiP技术顺应了硅基半导体工艺集成度提高的趋势，同时兼顾了天线性能、成本及体积。

图3：5G毫米波天线的覆盖范围。(来源：GSMA)

徐晧博士认为，毫米波的移动化是关键，5G毫米波部署的初期侧重于智能手机。高通开发的毫米波模组在非常紧凑的尺寸中集成了天线、射频前端和收发器，一部手机可以采用多个这种模组，不仅满足智能手机紧凑纤薄的设计需求，同时满足功耗需求并提供最大化的性能。

5G毫米波适用于三大应用场景：室内外交通枢纽/ 场馆等热点覆盖;工业互联网等行业应用;家庭/写字楼等无线宽带接入。它能够满足相关业务对于大带宽、低时延、精准定位、灵活部署等方面的需求。截止2020年8月，全球已有包括美国、日本和韩国在内的22家运营商部署了毫米波5G系统，超过120家运营商正在积极投资毫米波。目前主流的移动通信设备提供商都已经推出了支持5G毫米波的基站设备，芯片厂商和终端设备厂商也已经发布了超过100款的5G毫米波产品。

中兴通讯首席产品规划专家王建利博士认为，5G毫米波将在2022年成为运营商补热的重要方案。中兴通讯及其他通信厂商正在积极开展5G毫米波的研发、功能测试、外场试验，为毫米波规模商用做好准备。他认为5G毫米波建设要遵循“道”、“法”、“术”。所谓“道”，是指要从根本上解决毫米波覆盖差的问题;“法”，是指基于毫米波特有的波束特征，设计独特的阵列天线架构、波束算法、反射板技术;“术”，则是指积极参与3GPP标准的制定，吃透技术细节。

按照中国IMT-2020(5G)推进组的统筹规划，中国将分三个阶段推进5G毫米波的试验工作：2019 年重点验证5G毫米波关键技术和系统特性;2020 年重点验证5G毫米波基站和终端的功能、性能和互操作;2020到2021 年开展典型场景应用验证。中国联通研究院无线技术研究部副主任李福昌表示，目前联通除了重点打造三大场景—基于网络的数据热点、场景智慧园区和基于合作伙伴的服务保障外，还将通过开展冬奥场景的毫米波试点验证带动国内毫米波产业链加速发展，预计将于2021年6月完成冬奥场馆设备部署。

中国移动研究院无线技术研究所副主任李男表示，从中国移动的角度来看，毫米波有望在2022年具备规模商用的能力，以SA为基础部署毫米波网络对运营商来说会是比较理想的选择。中移动将考虑采用载波聚合、双连接的部署方式与6GHz以下频段进行配合，以解决毫米波部署瓶颈。外场测试数据显示，24.75-27.5GHz频段下采用3DEU结构时，测试带宽支持100M、200M、400M和800M，小区峰值速率可以达到14.7Gbps，用户时延1-1.5毫秒，与理论分析数值吻合，有效提升了对毫米波的信心。

5G毫米波具有频率资源丰富和带宽大、易与波束赋形技术结合、可实现极低时延、可支持密集化部署，以及可进行高精度定位、等技术优势，能够充分释放5G 的潜能，将成为5G 下一阶段重点部署的核心技术。目前5G毫米波产业链和标准化组织针对5G毫米波的各种问题提出了许多创新解决方案，从芯片、模组、系统到终端的整个产业链都基本达到商用化成熟阶段。从2022年开始，5G毫米波将在全球和中国市场掀起又一波5G热潮。

来源：电子工程专辑|作者：顾正书

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