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信號那么弱,毫米波為何還能成為5G“新寵”?

      2020年,是業內公認的5G建設大年,在新基建大潮和政策的持續加碼下,5G蓄勢待發。

       眾所周知,5G頻段主要分為Sub-6GHz和毫米波(24GHz-86GHz)兩大類,目前國內的5G場景應用都是在Sub-6GHz之下的案例。

      而毫米波作為高頻波,其因傳輸距離短、“一紙就能擋住信號”等劣勢,一直以來未能入運營商“法眼”。但在Sub6GHz的5G網絡下,單用戶峰值速率仍在百兆水平。

 

      為滿足5G所期望的8大KPI指標,更大的帶寬資源只得向高頻方向探尋,毫米波頻段超高的傳輸速率、超大的容量和極低的時延,或成為5G下一階段發展的重要方向。

 

毫米波或成5G發展關鍵

     根據3GPP協議規定,5G網絡主要使用兩段頻率:FR1頻段和FR2頻段

     FR1頻段的頻率范圍是450MHz-6GHz,又稱sub-6GHz頻段;FR2頻段的頻率范圍是24.25GHz-52.6GHz,通常被稱為毫米波(mmWave)。業界對6GHz以下頻段已非常熟悉,當前4G LTE網絡都運行于該頻段,對于毫米波則相對陌生。

 

    所謂毫米波,是指波長為1至10毫米的電磁波,具有帶寬大、波束窄的特點,在過去其僅用在衛星通信、雷達定位等軍事化領域。

 

 

      它的優勢很突出,高速率、高容量,毫米波可提供高達400至800MHz極大的載波帶寬,相比4G的20MHz有數十倍提升,可將5G網絡的傳輸速率提高至10Gbps的水平。

 

      其劣勢也很明顯,毫米波傳輸距離短,中間如果有樹木遮擋、天氣如果下雨、霧霾都會對傳輸造成影響。

 

     甚至有人比喻說,一片樹葉、一張紙、甚至是一滴水的遮擋,就可以讓毫米波5G信號徹底“翻車”。

 

     只要基站和手機之間有遮擋,可能轉個身,網絡會立刻回落到4G。而采用Sub-6GHz和毫米波同時覆蓋的運營商則相安無事。想要5G毫米波體驗好,必須建很多基站——幾乎每個角落都需要。

 

      這也是為什么在移動通信發展的30年間,毫米波一直被處于移動通信的“荒蕪之地”。

 

      隨著5G建設浪潮到來,毫米波技術的推進將會是關鍵。據悉,目前廣泛應用的基于sub-6GHz頻段的4G LTE蜂窩系統可使用的最大帶寬是100MHz,數據速率不超過1Gbps。而在毫米波頻段,可使用的最大帶寬是400MHz,數據速率高達10Gbps甚至更高。在5G時代,這樣的帶寬表現才能滿足用戶對特定場景的需求。通俗地說,就是5G毫米波網速很快,比Sub-6GHz的5G更快。ITU IMT-2020規范要求5G速度可以達到20Gbit/s,單靠Sub-6GHz是搞不定的,得用上毫米波。

 

     5G與毫米波的完美結合,除了速率高之外,良好的方向性,能夠清晰的觀察到目標的每一個細節。此外,毫米波的傳輸質量高,電磁頻譜極為干凈,受到干擾少,信號穩定。

 

     另外,毫米波本身的頻譜資源也更為豐富。30GHz之內的頻譜資源已被各個運營商、機構瓜分殆盡,此時未經開墾的毫米波就留給了運營商廣闊的資源空間。更重要的是,載波頻率的提高意味著天線的變小,這意味著可以通過增加天線數量來補償高頻路徑損耗,而又不會增加天線陣列的尺寸。

 

5G毫米波技術受重視

 

      5G的到來,讓越來越多的國家和公司開始在毫米波頻譜中支持5G。歐美日韓等國已率先完成5G毫米波頻譜劃分,并部分開始商用,重點為高價值區域提供高性能5G服務。

 

      其中,美國高通率先5G毫米波的研究,其推出了驍龍865和外掛X55基帶支持毫米波的5G芯片;三星正在韓國和美國研究毫米波技術。三星最近在5G傳輸速率的測試中,通過將800MHz的毫米波頻譜與MU-MIMO(多用戶、多輸入、多輸出)技術相結合,將信號從其接入單元發送到兩個配備最新5G調制解調器芯片組的測試終端上,從而實現業內最快的5G傳輸速率。

 

 

      在我國,前不久工信部前不久印發的《關于推動5G加快發展的通知》提到,要持續加大5G技術研發力度,加強5G技術和標準研發。組織開展5G行業虛擬專網研究和試點,打通標準、技術、應用、部署等關鍵環節。同時《通知》中還提到,要適時發布部分5G毫米波頻段頻率使用規劃,開展5G行業(含工業互聯網)專用頻率規劃研究,適時實施技術試驗頻率許可。

 

      未來幾年,預計將有超過15個國家加入5G毫米波俱樂部。

 

      使用5G毫米波頻譜的移動運營商可以為用戶提供更快的網絡連接速度,還可以提供以前移動互聯網上從未提供過的新服務,如AR遠程學習、8K在線視頻、VR遠程會議等。

 

      工程院院士鄔賀銓表示,在頻率問題上,我們現在是工作在6GHz(千兆赫茲)以下的頻段,這個頻段與毫米波頻段相比建網相對更快一些,但能得到的最高峰值帶寬不如毫米波頻段,所以未來中國5G還要采用毫米波頻段。

 

實現商用仍需努力

 

     毫米波對未來5G的發展至關重要,同時,隨著5G建設的加快,毫米波也將迎來廣闊的發展空間。

 

     據GSMA報告預測,在工業4.0場景和互聯交通運輸場景中部署5G毫米波應用將會帶來諸多益處。毫米波頻譜,特別是24.25-27.5GHz和37-43.5GHz頻段中的毫米波頻譜,能夠提供為大量數據密集型5G應用所需求帶寬而必須的連續頻譜。

 

     報告還預測了中國5G毫米波的應用場景結構,其中,垂直行業領域中的制造業和水電等公用事業是目前可見貢獻最大的行業,占貢獻總數的62%;其次是專業服務和金融服務占12%;信息通信和貿易占10%;然后是農業和礦業,最后是公共服務。在5G毫米波所帶來的創新服務推動下,到2034年中國將占亞太地區2120億美元經濟增長額的53%。

 

 

      盡管如此,目前,毫米波要實現商用仍存在一些問題需要解決。毫米波在通信中應用,5G是首次應用于蜂窩通信,之前都是用于點對點中繼或室內WLAN為主,在蜂窩通信中應用,需要的產業鏈與點對點傳輸會有所不同,包括對性能的需求,處理能力不會完全一致的,所以很多方面需要完善。

 

      有專家表示,毫米波相對于低頻段,整體產業鏈完善程度還不足夠,包括器件的成熟度等,還需要進一步推動整體產業鏈成熟。

 

      如,毫米波技術對基帶芯片、射頻芯片、天線、變頻器、移相器、功放、低噪放、射頻開關等關鍵器件提出了新要求。

 

 

      中國目前重點關注于sub-6GHz的5G商用,在這個窗口期,國內的毫米波上下游產業應該盡快技術積累,縮小與國外頂尖水平的差距,同時,3GPP對于52.6GHz以上通信標準在R17中準備立項,這部分頻率的通信標準還沒有完成,也需要推動完成。另外,在什么樣的應用場景下能充分發揮毫米波的優勢,降低劣勢,也是整個行業要充分論證的。

 

      GSMA大中華區公共政策總經理關舟表示,一段新的頻譜從劃分到真正的商用一般會需要7到10年,從國際電聯劃分到相關產業研究到最后的商用需要時間很長。當然,從長期來看,特別是在超高速率,高帶寬的需求上,毫米波的應用是很難取代的。

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