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(luò)需要毫米波來支持更高的速率和更低的時(shí)延，為各種新型應(yīng)用提供通信基礎(chǔ)設(shè)施。相比于4G ，5G一個(gè)關(guān)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(wù)需求，其中就包括使用毫米波的頻段資源來實(shí)現(xiàn)極高帶寬和極低時(shí)延。

隨著業(yè)務(wù)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(dòng)通信技術(shù)演進(jìn)的必然方向。2020 年，5G已經(jīng)開始規(guī)模商用，整個(gè)產(chǎn)業(yè)界的目光都開始投向5G下一階段部署的關(guān)鍵技術(shù)，其中5G毫米波倍受業(yè)界關(guān)注和重視。5G毫米波具有高帶寬、低時(shí)延等突出優(yōu)勢，能夠充分釋放5G的全部潛能，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)體驗(yàn)的提升和千行百業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，真正實(shí)現(xiàn)“4G改變生活、5G改變社會(huì)”的愿景。毫米波和中低頻段的Sub-6GHz都有各自的技術(shù)優(yōu)勢，5G毫米波和Sub-6GHz互相配合和補(bǔ)充才能夠充分釋放5G的全部潛能，為變革用戶體驗(yàn)和推動(dòng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供關(guān)鍵賦能。

據(jù)GSMA及相關(guān)市調(diào)機(jī)構(gòu)預(yù)測，5G毫米波作為高速接入、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療健康、智能交通、虛擬現(xiàn)實(shí)等方面的核心使能技術(shù)，預(yù)計(jì)將在2035 年之前對全球GDP做出5650 億美元的貢獻(xiàn)，占5G 總貢獻(xiàn)的25%;在2034年之前，預(yù)計(jì)在中國使用5G毫米波頻段所帶來的經(jīng)濟(jì)受益將達(dá)到約1040億美元，其中垂直行業(yè)領(lǐng)域中的制造業(yè)和水電等公用事業(yè)占貢獻(xiàn)總數(shù)的62%，專業(yè)服務(wù)和金融服務(wù)占12%，信息通信和貿(mào)易占10%。

5G毫米波技術(shù)的優(yōu)勢

GSMA在其《5G毫米波技術(shù)白皮書》中對這一技術(shù)的優(yōu)勢做了很好的總結(jié)，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(luò)提供千兆連接能力的主要方式。要達(dá)到5G最高速率要求，就必須使用5G毫米波。

5G毫米波網(wǎng)絡(luò)可輕易實(shí)現(xiàn)Gbps級別的峰值吞吐率。比如在26 GHz頻段內(nèi)分配連續(xù)800MHz頻譜，可以采用四個(gè)單載波200MHz(4*200MHz)或者八個(gè)單載波100MHz(8*100MHz)實(shí)現(xiàn)載波聚合傳輸。基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)可用的信道寬度和調(diào)制方式，結(jié)合先進(jìn)的天線設(shè)計(jì)和射頻處理技術(shù)，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(shí)測結(jié)果，5G Sub-6GHz網(wǎng)絡(luò)的平均下載速率比4G LTE快5倍，而5G毫米波網(wǎng)絡(luò)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(dá)900Mbps，峰值速率超過2Gbps。這一結(jié)果是在400MHz 帶寬實(shí)現(xiàn)的，未來使用800MHz 帶寬將有望得到更好的結(jié)果。因此，與5G sub-6 GHz相比，5G毫米波技術(shù)對于用戶峰值速率仍有很大提升空間。

5G毫米波的第二個(gè)優(yōu)勢是易與波束賦形技術(shù)結(jié)合。5G毫米波的頻段高、波長短，使得其在設(shè)計(jì)和部署上有空間優(yōu)勢，非常適合與波束賦形技術(shù)相結(jié)合，增強(qiáng)性能并降低干擾。在典型天線陣列配置下，假設(shè)基站有256個(gè)天線陣子，5G毫米波能夠獲得的理論波束賦形增益可達(dá)24dB;若終端有8根天線，增益可達(dá)9dB。例如，在進(jìn)行室外覆蓋時(shí)，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(luò)下行覆蓋率可以達(dá)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(dá)到95%。

5G毫米波的第三個(gè)優(yōu)勢是可實(shí)現(xiàn)極低時(shí)延。5G毫米波系統(tǒng)空口時(shí)隙長度是目前主流5G中低頻系統(tǒng)的1/4，空口時(shí)延顯著降低，是滿足5G 空口時(shí)延小于1ms 的有力保證，可實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、AR/VR、云游戲、實(shí)時(shí)云計(jì)算等URLLC(高可靠低時(shí)延)業(yè)務(wù)的質(zhì)量承諾。例如，AR/VR業(yè)務(wù)為保證多感官協(xié)調(diào)體驗(yàn)和交互能力，需要毫秒級的時(shí)延;典型的工業(yè)機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)對于時(shí)延的要求也要達(dá)到毫秒級;產(chǎn)品線上的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制也需要毫秒級的時(shí)延保證;而工業(yè)視覺等引入人工智能所需的大規(guī)模計(jì)算往往需要在一定距離外進(jìn)行，對空口時(shí)延有亞毫秒級別的嚴(yán)格要求。

5G毫米波的第四個(gè)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(diǎn)將信號能量聚焦在特定方向來減小對其它非目標(biāo)對象的干擾，保證鄰近鏈路或者鄰近小區(qū)通信質(zhì)量，很適合在大型場所如會(huì)議室、音樂會(huì)、體育館、地鐵站等人口密集區(qū)域進(jìn)行部署。

5G毫米波的第五個(gè)優(yōu)勢是可進(jìn)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(shí)由于信號傳輸周期小、時(shí)間精度高，5G毫米波有望實(shí)現(xiàn)厘米級的定位。即使和全球衛(wèi)星定位導(dǎo)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(dǎo)航信號較弱的室內(nèi)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(shù)優(yōu)勢，將為行業(yè)開創(chuàng)超越想象的商業(yè)應(yīng)用前景。目前能夠預(yù)測的是，5G毫米波將在室內(nèi)外交通樞紐與場館等熱點(diǎn)覆蓋應(yīng)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(nèi)外交通樞紐與場館等應(yīng)用場景中，用戶數(shù)多，高峰時(shí)期數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求極大，毫米波能夠很好地滿足這些熱點(diǎn)區(qū)域的連接需求。此外，在家庭和寫字樓的網(wǎng)絡(luò)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(wù)，實(shí)現(xiàn)對高清視頻、AR/VR等業(yè)務(wù)的良好支持。而在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，相關(guān)測試表明，即使在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，5G毫米波技術(shù)加上超可靠低時(shí)延通信(URLLC)技術(shù)能夠提供出色性能，滿足工業(yè)機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)低至1毫秒時(shí)延和高達(dá)99.9999%連接可用率的嚴(yán)苛要求，并能同時(shí)為高密度部署的工業(yè)手持設(shè)備及監(jiān)控?cái)z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?yàn)轭l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(shí)測結(jié)果，5G毫米波的穿透損耗遠(yuǎn)高于Sub-6GHz，同時(shí)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?qū)崿F(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(jìn)的波束賦形技術(shù)增加EIRP(等效全向輻射功率)，提升覆蓋能力，能夠輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)百米的信號傳輸，緩解路徑損耗問題。這項(xiàng)技術(shù)不僅通過仿真實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證，而且在外場測試和商用部署中也得到了充分檢驗(yàn)。其次，在5G標(biāo)準(zhǔn)化中，5G毫米波波束管理成為5G毫米波標(biāo)準(zhǔn)化的工作重點(diǎn)，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(dòng)態(tài)地實(shí)施波束切換。最后，半導(dǎo)體材料和封裝技術(shù)的進(jìn)步也推動(dòng)著5G毫米波技術(shù)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(jià)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(qiáng)大支持。

針對這些挑戰(zhàn)，高通公司中國區(qū)研發(fā)負(fù)責(zé)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(diào)制解調(diào)器及射頻系統(tǒng)集成了調(diào)制解調(diào)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(gè)系統(tǒng)的所有關(guān)鍵組件，可在系統(tǒng)的所有子組件層面協(xié)同設(shè)計(jì)硬件和軟件，進(jìn)行先進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新和技術(shù)優(yōu)化，比如可支持最優(yōu)上行鏈路吞吐量、同時(shí)滿足傳輸上限的Smart Transmit技術(shù);可實(shí)現(xiàn)出色傳輸能效與網(wǎng)絡(luò)性能的寬頻帶包絡(luò)追蹤技術(shù);可支持更高吞吐量、更高通話可靠性、更廣網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的Signal Boost技術(shù);可實(shí)現(xiàn)出色接收能效的5G PowerSave技術(shù)等。

目前主流設(shè)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(dòng)終端方面，一加、摩托羅拉、三星、LG、聯(lián)想、宏碁、SierraWireless、移遠(yuǎn)通信、廣和通、Telit、Inseego、Netgear、OPPO、友訊(D-Link)、亞旭、夏普等業(yè)界領(lǐng)先廠商發(fā)布了多樣化5G毫米波商用終端，覆蓋智能手機(jī)、PC、熱點(diǎn)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(jī)，配合愛立信基站，4cc下行吞吐率可達(dá)2.1Gbps，最大距離可達(dá)1.2公里。

解決5G毫米波覆蓋問題的另一個(gè)解決方案是采用小蜂窩(Small Cell )技術(shù)。在5G 時(shí)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(nèi)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(luò)架構(gòu)形態(tài)，最典型的部署場景是各種熱點(diǎn)地區(qū)，比如會(huì)議室、大型體育場館、音樂廳，各類交通樞紐如機(jī)場、火車站、地鐵站等。

5G毫米波面臨的第二個(gè)挑戰(zhàn)是終端移動(dòng)管理問題。由于高頻信號傳播特點(diǎn)，5G毫米波小區(qū)覆蓋半徑通常較小，終端在移動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)針對這一問題提出了小區(qū)切換方案和快速波束恢復(fù)機(jī)制。此外，運(yùn)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(shù)和雙連接(DC) 技術(shù)將中低頻和5G毫米波有機(jī)結(jié)合起來，以提供極致的用戶體驗(yàn)。

5G毫米波面臨的第三個(gè)挑戰(zhàn)是產(chǎn)品復(fù)雜性高，實(shí)現(xiàn)難度大，特別是天線設(shè)計(jì)。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(jìn)步，將天線、射頻收發(fā)器和射頻前端集成在封裝內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的無線通信功能。AiP技術(shù)順應(yīng)了硅基半導(dǎo)體工藝集成度提高的趨勢，同時(shí)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(rèn)為，毫米波的移動(dòng)化是關(guān)鍵，5G毫米波部署的初期側(cè)重于智能手機(jī)。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(jī)可以采用多個(gè)這種模組，不僅滿足智能手機(jī)緊湊纖薄的設(shè)計(jì)需求，同時(shí)滿足功耗需求并提供最大化的性能。

5G毫米波的應(yīng)用場景

5G毫米波適用于三大應(yīng)用場景：室內(nèi)外交通樞紐/ 場館等熱點(diǎn)覆蓋;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應(yīng)用;家庭/寫字樓等無線寬帶接入。它能夠滿足相關(guān)業(yè)務(wù)對于大帶寬、低時(shí)延、精準(zhǔn)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(nèi)的22家運(yùn)營商部署了毫米波5G系統(tǒng)，超過120家運(yùn)營商正在積極投資毫米波。目前主流的移動(dòng)通信設(shè)備提供商都已經(jīng)推出了支持5G毫米波的基站設(shè)備，芯片廠商和終端設(shè)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(rèn)為，5G毫米波將在2022年成為運(yùn)營商補(bǔ)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(yàn)，為毫米波規(guī)模商用做好準(zhǔn)備。他認(rèn)為5G毫米波建設(shè)要遵循“道”、“法”、“術(shù)”。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(shè)計(jì)獨(dú)特的陣列天線架構(gòu)、波束算法、反射板技術(shù);“術(shù)”，則是指積極參與3GPP標(biāo)準(zhǔn)的制定，吃透技術(shù)細(xì)節(jié)。

按照中國IMT-2020(5G)推進(jìn)組的統(tǒng)籌規(guī)劃，中國將分三個(gè)階段推進(jìn)5G毫米波的試驗(yàn)工作：2019 年重點(diǎn)驗(yàn)證5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)特性;2020 年重點(diǎn)驗(yàn)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(yīng)用驗(yàn)證。中國聯(lián)通研究院無線技術(shù)研究部副主任李福昌表示，目前聯(lián)通除了重點(diǎn)打造三大場景—基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)熱點(diǎn)、場景智慧園區(qū)和基于合作伙伴的服務(wù)保障外，還將通過開展冬奧場景的毫米波試點(diǎn)驗(yàn)證帶動(dòng)國內(nèi)毫米波產(chǎn)業(yè)鏈加速發(fā)展，預(yù)計(jì)將于2021年6月完成冬奧場館設(shè)備部署。

中國移動(dòng)研究院無線技術(shù)研究所副主任李男表示，從中國移動(dòng)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(chǔ)部署毫米波網(wǎng)絡(luò)對運(yùn)營商來說會(huì)是比較理想的選擇。中移動(dòng)將考慮采用載波聚合、雙連接的部署方式與6GHz以下頻段進(jìn)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(jié)構(gòu)時(shí)，測試帶寬支持100M、200M、400M和800M，小區(qū)峰值速率可以達(dá)到14.7Gbps，用戶時(shí)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(jié)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(shù)結(jié)合、可實(shí)現(xiàn)極低時(shí)延、可支持密集化部署，以及可進(jìn)行高精度定位、等技術(shù)優(yōu)勢，能夠充分釋放5G 的潛能，將成為5G 下一階段重點(diǎn)部署的核心技術(shù)。目前5G毫米波產(chǎn)業(yè)鏈和標(biāo)準(zhǔn)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(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都基本達(dá)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。

原文標(biāo)題：千億級規(guī)模的5G毫米波離我們有多遠(yuǎn)？

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