毫米波：5G mmWave頻譜詳細(xì)解讀

電子工程世界 2020-05-21 00:00

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毫米波依靠超高的mmWave頻率的速度和容量為5G應(yīng)用提供超強(qiáng)動(dòng)力。

毫米波5G，也被稱為mmWave——是下一代移動(dòng)應(yīng)用基礎(chǔ)。我們將解釋它是什么，以及在需要高容量、低延遲網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)，它將如何影響5G網(wǎng)絡(luò)。

下一代5G網(wǎng)絡(luò)不僅將在大范圍內(nèi)提供無(wú)處不在的可靠覆蓋，還將能夠?yàn)殛P(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署和全新業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)提供動(dòng)力，所有這些都需要快速、高容量、超低延遲的連接。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商需要使用比前幾代移動(dòng)技術(shù)更廣泛的頻譜。和低頻段和中頻段混合的4G網(wǎng)絡(luò)一樣，5G網(wǎng)絡(luò)也是如此。

至關(guān)重要的是，頻譜是一種有限的資源。隨著世界各國(guó)政府和監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)識(shí)到5G網(wǎng)絡(luò)的潛在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，各方已共同努力釋放盡可能多的頻譜。

目前人們開(kāi)始注意以前被認(rèn)為不適合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的波段，包括高范圍毫米波(mmWave)。

早在移動(dòng)通信的重要性被認(rèn)識(shí)到之前，許多毫米波頻段就分配給了其他用戶群體，如軍事或公共活動(dòng)行業(yè)，因此毫米波頻譜具有很高的溢價(jià)。

什么是毫米波頻譜?

盡管低頻段700MHz可能有助于將5G傳播到農(nóng)村地區(qū)，但它不適合在繁忙的城市地區(qū)提供所需的可靠連接。

高頻段在有限的地理區(qū)域內(nèi)提供了巨大的容量。所以mmWave在5G推廣中的關(guān)鍵是在人口密集的城市地區(qū)，那里需要高容量——換句話說(shuō)，那里有很多設(shè)備。

然而，mmWave也并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。首先，這些信號(hào)不會(huì)走得那么遠(yuǎn)。mmWave之前一直被移動(dòng)設(shè)備所排斥，因?yàn)樗亩叹嚯x和窄波長(zhǎng)很容易受到大氣條件的影響。一種被稱為“降雨減弱”的效應(yīng)，因?yàn)榻涤晡諢o(wú)線電信號(hào)并造成干擾。

從技術(shù)上講，mmWave指的是微波和紅外線之間的頻率，在24GHz到300GHz之間。這些電波目前被用于科學(xué)研究，武器系統(tǒng)，甚至警察的測(cè)速槍。

人們認(rèn)為26GHz - 100MHz頻段是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的最大機(jī)遇。

然而，正是先前不受歡迎的mmWave特性使得它非常適合5G。

這是因?yàn)樗蕾囉谖⒒A(chǔ)設(shè)施的使用，比如分布在密集城市位置的小單元。這一點(diǎn)，加上高頻段頻率將是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特征。

因此，mmWave只需要在有限的范圍內(nèi)使用，而短波長(zhǎng)可以最大限度地減少來(lái)自其他蜂窩數(shù)據(jù)的干擾，從而提高頻譜的效率。

mmWave頻譜比目前的4G技術(shù)使用更高的頻率。

價(jià)值潛力

由聯(lián)合國(guó)下屬的國(guó)際電信聯(lián)盟組織的四年一次的監(jiān)管機(jī)構(gòu)和政府會(huì)議——2019年世界無(wú)線電通信大會(huì)(WRC-19)，與會(huì)代表確定了若干個(gè)可用于5G網(wǎng)絡(luò)的mmWave頻段。其中包括24.25-27.5 GHz、37-43.5 GHz、45.5-47 GHz、47.2-48.2和66-71 GHz。

對(duì)這些波段的正式識(shí)別，為全球統(tǒng)一、測(cè)試和標(biāo)準(zhǔn)化鋪平了道路——降低了成本，縮短了上市時(shí)間。這些協(xié)定還確保對(duì)鄰近波段的頻譜用戶，例如氣象服務(wù)，實(shí)行保障措施。

mmWave頻譜的高容量和超快速度將使許多5G應(yīng)用不太適合低頻段。雖然預(yù)計(jì)大多數(shù)商業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)將至少提供1Gbps，但是mmWave理論的最大值傳輸值是10Gbps。

GSMA預(yù)計(jì)，未來(lái)15年全球?qū)⒂?650億美元的GDP和1520億美元的稅收來(lái)自mmWave 5G服務(wù)。這相當(dāng)于該時(shí)期所有5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的四分之一。

mmWave 5G拍賣

每個(gè)國(guó)家都有自己的分配頻譜給那些希望在這些頻段上運(yùn)營(yíng)的公司的方式。在美國(guó)3月5日舉行的最后一輪毫米波拍賣會(huì)上，37千兆赫、39千兆赫和47千兆赫頻段被拍賣。總銷售額達(dá)到了75.58億美元，幾乎是之前兩次mmWave拍賣的總和的三倍，24GHz頻段的總銷售額為20億美元，28GHz頻段的總銷售額為7億美元。威瑞森和美國(guó)電話電報(bào)公司(AT&T)占據(jù)了最大的市場(chǎng)份額，共花費(fèi)30億美元，獲得了數(shù)千個(gè)新的mmWave許可證。

盡管出現(xiàn)了疫情大流行，各國(guó)仍在推進(jìn)各自的計(jì)劃，將mmWave頻譜分配給出價(jià)最高的國(guó)家。例如，芬蘭電信監(jiān)管機(jī)構(gòu)Traficom已經(jīng)宣布，它計(jì)劃在5月份繼續(xù)拍賣5G頻譜。

此次拍賣將包括3張26GHz頻段的牌照，每張牌照提供覆蓋整個(gè)芬蘭大陸的800MHz頻段，起拍價(jià)為700萬(wàn)歐元。注冊(cè)必須在2020年5月20日前提交給芬蘭交通和通信機(jī)構(gòu)Traficom，獲勝者可以在7月1日開(kāi)始網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

固定無(wú)線接入

最早使用5G毫米波的例子是固定無(wú)線接入(FWA)[1]寬帶。 4G驅(qū)動(dòng)的FWA的速度、可靠性和固定連接的體驗(yàn)往往無(wú)法與之相比。數(shù)據(jù)上限也是一個(gè)巨大的障礙，尤其是當(dāng)你考慮到家庭寬帶用戶比移動(dòng)用戶消耗更多的數(shù)據(jù)。

Ovum表示，目前英國(guó)家庭平均每月消費(fèi)190GB，到2023年，由于視頻流服務(wù)、在線游戲和其他應(yīng)用程序的普及，這一數(shù)字將增加到516GB。5G不受4G的限制，可以幫助滿足這一需求。

商用5G FWA網(wǎng)絡(luò)使用mmWave頻譜的試驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到了1-3Gbps，而分析人士認(rèn)為，在真實(shí)世界環(huán)境下，80 - 100mbps的一致性速度是可以達(dá)到的。在美國(guó)，AT&T和Verizon都在美國(guó)主要城市提供5G FWA，為只有一家固定電纜供應(yīng)商的地區(qū)提供了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的選擇。

盡管如此，英國(guó)目前有三家公司在倫敦市中心提供5G FWA網(wǎng)絡(luò)，而政府則希望在英國(guó)一些地區(qū)提供最低標(biāo)準(zhǔn)的寬帶網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樵谶@些地區(qū)，光纖的商業(yè)化推廣在經(jīng)濟(jì)上并不可行。

對(duì)工業(yè)和社會(huì)進(jìn)行新一輪變革

mmWave 5G在工業(yè)領(lǐng)域的使用案例非常強(qiáng)大，該技術(shù)能夠在世界任何地方提供可靠、高性能的連接。智能端口技術(shù)是5G最發(fā)達(dá)的工業(yè)應(yīng)用之一，有望通過(guò)機(jī)器的自動(dòng)化和遠(yuǎn)程操作來(lái)提高效率和降低成本。物流、礦業(yè)和其他行業(yè)也將通過(guò)流程的數(shù)字化和勞動(dòng)力生產(chǎn)率的提高而轉(zhuǎn)型。

社會(huì)將受益于智能城市的應(yīng)用，如交通，醫(yī)療保健的提供和基本服務(wù)的獲取也將發(fā)生革命性的變化。虛擬培訓(xùn)將幫助工作人員改進(jìn)，同時(shí)專家也可以遠(yuǎn)程協(xié)助診斷和治療。這意味著位置將不再是護(hù)理的障礙。

教育也是如此。遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)將成為一種可能，這要?dú)w功于利用遠(yuǎn)程會(huì)議、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)的交互式課程。

mmWave和無(wú)線回程

受益于mmWave頻譜的不僅僅是終端用戶應(yīng)用程序——移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)本身也將變得更加高效。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商計(jì)劃將mmWave頻譜用于無(wú)線回程，它是移動(dòng)基站和核心網(wǎng)絡(luò)之間的連接。

傳統(tǒng)的回程依賴于高質(zhì)量的固定連接，這在農(nóng)村地區(qū)可能不存在。在農(nóng)村地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，無(wú)線回程提供了更大的靈活性和成本效率，而對(duì)于由小單元和其他微基礎(chǔ)設(shè)施組成的密集的5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，這將是必不可少的。

測(cè)試表明，在延遲、可靠性和速度方面，mmWave頻譜可以提供“類似光纖”的性能，40Gbps傳輸是現(xiàn)實(shí)可性的。

發(fā)展?fàn)顩r

如上所述，美國(guó)的運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在使用mmWave頻率為他們的FWA服務(wù)供電。然而，由于缺乏已發(fā)布的頻譜和兼容設(shè)備，想完全實(shí)現(xiàn)全部功能還需要時(shí)間。

盡管國(guó)際電信聯(lián)盟在全球范圍內(nèi)分配了波段，但發(fā)放這些波段牌照的過(guò)程是由各國(guó)政府和監(jiān)管機(jī)構(gòu)決定的。例如，英國(guó)監(jiān)管機(jī)構(gòu)Ofcom仍在研究26GHz的戰(zhàn)略。

還有標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。目前的5G網(wǎng)絡(luò)使用的是一種名為Release-15 (R15)的早期標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，該技術(shù)建立在現(xiàn)有4G基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)之上。

今年夏天，R16將完成，一旦可用，網(wǎng)絡(luò)就可以最大限度地發(fā)揮mmWave頻譜的能力，充分發(fā)揮5G技術(shù)潛力。

毫米波對(duì)中國(guó)未來(lái)5G發(fā)展影響深遠(yuǎn)

WRC-19對(duì)于5G毫米波頻譜的劃分具有重要意義。此次來(lái)自190多個(gè)國(guó)家的3000名代表討論了無(wú)線電規(guī)則文件，所有簽署的國(guó)家都需要按照這個(gè)規(guī)則進(jìn)行頻譜分配，該規(guī)則將決定全球今后4~5年頻譜的規(guī)劃和使用方案。從以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，一個(gè)新的頻譜從ITU層面劃分到真正的商用需要7~10年。因此WRC的決定對(duì)于全球頻譜劃分具有重要意義，如2007年WRC大會(huì)上劃分的頻譜，后來(lái)成為3G、4G頻譜劃分和使用的基礎(chǔ)。

在亞太地區(qū)，GSMA預(yù)計(jì)中國(guó)的影響力將會(huì)特別大，將在5G毫米波所帶來(lái)的2120億美元的亞太地區(qū)GDP增長(zhǎng)額中貢獻(xiàn)53%，特別在制造業(yè)和公用事業(yè)行業(yè)方面。WRC-19討論了24GHz~86GHz頻譜的劃分，這些頻段會(huì)帶來(lái)5G高帶寬、高速率方面的應(yīng)用。

5G對(duì)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)所需要的頻譜十分多樣，不同的應(yīng)用，不同的場(chǎng)景，對(duì)頻譜的需求也不一樣。高帶寬、高速率的應(yīng)用需要毫米波頻譜。5G毫米波有望繼續(xù)加強(qiáng)中國(guó)的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是考慮到其全面展開(kāi)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型進(jìn)程，為創(chuàng)新型驅(qū)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)創(chuàng)造新動(dòng)能。5G加上毫米波頻譜可幫助釋放低時(shí)延、數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的潛力，這些應(yīng)用可以為各種行業(yè)和用例帶來(lái)變革。

我國(guó)毫米波研究不斷加速

毫米波頻譜確定后，我國(guó)也將開(kāi)啟深入的研發(fā)和測(cè)試工作。

我國(guó)IMT-2020（5G）推進(jìn)組此前就表示，未來(lái)的工作重點(diǎn)將聚焦毫米波領(lǐng)域。IMT-2020（5G）推進(jìn)組試驗(yàn)工作組組長(zhǎng)徐菲在2019PT展上講解了我國(guó)毫米波技術(shù)試驗(yàn)的主要目標(biāo)。分別是：研究驗(yàn)證5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)和主要特性，制定26GHz頻段的5G設(shè)備功能和性能指標(biāo)要求，指導(dǎo)5G毫米波基站、核心器件和終端的研發(fā)；研究5G毫米波測(cè)試技術(shù)，制定系列測(cè)試規(guī)范，開(kāi)發(fā)毫米波射頻、功能和性能測(cè)試系統(tǒng)，構(gòu)建支持SA和NSA的毫米波試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，支撐5G毫米波端到端的完整的測(cè)試驗(yàn)證；加強(qiáng)協(xié)作，在實(shí)際典型場(chǎng)景開(kāi)展小規(guī)模應(yīng)用試驗(yàn)和示范，探索5G毫米波的應(yīng)用場(chǎng)景和部署策略。

未來(lái)，推進(jìn)組還將分階段推進(jìn)5G毫米波試驗(yàn)：2019年8—12月，驗(yàn)證5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)特性；2020年驗(yàn)證毫米波基站和終端的功能、性能和互操作，開(kāi)展高低頻協(xié)同組網(wǎng)驗(yàn)證；；2020-2021年，開(kāi)展典型場(chǎng)景驗(yàn)證。推進(jìn)組還將重點(diǎn)面向毫米波設(shè)備和組網(wǎng)測(cè)試以及小規(guī)模應(yīng)用試驗(yàn)和示范，積極推進(jìn)毫米波基站、芯片、射頻模組的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，研究毫米波的適用場(chǎng)景，探索毫米波和工業(yè)領(lǐng)域的融合應(yīng)用。

運(yùn)營(yíng)商也開(kāi)展了緊鑼密鼓的毫米波研發(fā)工作。據(jù)一位業(yè)內(nèi)專家表示，目前有運(yùn)營(yíng)商已完成5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，2019—2020年間正在進(jìn)行5G毫米波系統(tǒng)性能及標(biāo)準(zhǔn)方案驗(yàn)證，計(jì)劃在2022年實(shí)現(xiàn)5G毫米波商用部署。不過(guò)在元器件方面，產(chǎn)業(yè)鏈還有待發(fā)展，再就是毫米波的應(yīng)用場(chǎng)景目前還處在探索和研究中。

產(chǎn)業(yè)鏈也已經(jīng)開(kāi)始了密切的毫米波研究工作。華為、中興和諾基亞貝爾完成了毫米波關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試的主要功能、射頻和外場(chǎng)性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了毫米波的主要關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展了毫米波輻射射頻測(cè)試，支撐了我國(guó)毫米波規(guī)劃工作，后續(xù)進(jìn)一步完善和優(yōu)化毫米波設(shè)備的性能指標(biāo)。海思、高通進(jìn)行了5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)的室內(nèi)功能測(cè)試。

翻譯自——5gradar

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