详解毫米波技术在5G中的地位和作用

shuszhao · 发表于 2020-8-29 12:25:47

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去年（2019），5G中的毫米波曾经在业界和媒体引发了很大的争论，认为毫米波不是主流，美国推行毫米波是因为非毫米波频段被军方占用不得已而为之。其实华为一直都支持毫米波，只是由于国内主第一阶段主要使用主流频段，毫米波不需要那么快上线，因此其产品推出较晚。现在高通、华为等都支持毫米波。那么，毫米波技术到底有什么不同？它在5G中的地位如何，将发生什么作用？
在当前全球 5G 主要发展国家中，都采用了符合实际需求的不同的频段来部署自己的 5G 商用网络。其中又能根据频段的差异分为两大技术流派：分别是从 3GHz 到 4GHz 之间的频段，与 20-300GHz 之间的频段。

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前者就是FR1 频段，另一个名字是大家可能更为熟知的6GHz以下频段（sub-6GHz）。而后者就是本文要介绍的主角： FR2频段 —— 也叫毫米波（mmWave）频段（下文简称“毫米波“）。

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毫米波频段之所以在 5G 时代受到关注，一方面原因是在 4G LTE 之前的移动网络发展中，主流频段的无线电频谱几乎已经被瓜分殆尽，并没有多少更好的频段留给即将爆发且对传输要求更高的 5G 网络：如果用房子来做比喻，就是热门地段与市区的房源几乎已经售完了。这显然不能满足 5G 环境，无论是对传输还是对高并发都大大提升的使用需求。
另一方面，5G 网络开始使用毫米波频段还有一个更简单的原因：毫米波有着更大的可用带宽，能满足 5G 对于大容量与高速率的传输需求。毫米波相比于 6GHz 以下频段传输时延更短，只有不到 6GHz 的五分之一；这样的优势对 5G 未来更多的使用场景：比如在 L4 级自动驾驶、远程手术会诊、云游戏或云计算等应用场景，可以说是至关重要。

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读到这里，你可能会问：既然毫米波相比 6GHz以下频段拥有更多的优势，能支持更多对速率和时延要求更高的 5G 使用场景，那么为什么毫米波目前还未能全面铺开商用提供服务呢？
这里就需要简单介绍一下毫米波的特性，虽然拥有着明显的优势，但同时也存在着劣势：由于毫米波先天特性限制，毫米波的传输距离较短，在常规的使用场景下，一般毫米波的传输距离不超过 10 米，如果遇上物体遮挡、恶劣天气甚至是雾霾等复杂的自然环境影响，其实际传输距还会进一步衰减。这也是为什么在过去移动通信发展的 40 年间，毫米波频段一直处于尚未被完全开发利用的状态。

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不过凡事都有两面性：毫米波传播距离短的特征，在部分特殊使用场景下，反而成了毫米波的优势所在：比如短距传输可以有效的减少不同信源之间的毫米波信号之间干扰。且毫米波所采用的高增益天线具有较好的指向性，可以进一步消除干扰。同时增强信息传输的安全性。
此外，毫米波的高频特性会限制其天线的尺寸，这其实也有对应的优势：在同样体积的的设备内部，厂商在设计时可以通过加入更多毫米波天线来弥补其信号传输时的损耗，同时也让更多支持 5G 毫米波的设备进一步小型化成为了可能：未来，我们可能会看到更多日常生活中不同的设备，通过支持毫米波 5G 的方式，来获得超高速的 5G 网络支持，进而改变我们的使用方式。

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目前在我国 5G 网络的逐步推进中，既有 Sub-6GHz作为推进 5G 覆盖的组网方式作为当前阶段的主力，也有包括三大运营商以及高通为代表的技术厂商通过研发和试验来推动毫米波技术的发展和商用进程，让5G 网络满足更多高数据传输需求的未来使用场景。这一点从 GSMA 发布的研究报告《5G 毫米波在中国的机遇》中也能看到相关介绍：
“应该注意的是，尽管在某些情况下较低频段也可以为这些应用可以提供支持，但是在考虑到应在特定区域内支持的大规模连接设备时，毫米波的潜力才真正发挥作用。”
在超多设备同时使用高速网络的使用场景：比如体育场在大型赛事举办期间，不仅要容纳上万名观众的手机同时访问网络，还要支持 8K 乃至 AR、VR 更多形式的高清赛事转播需求。在智能机械遍布的自动化工厂中，对不同种类的工业机器人进行相对应的远程控制，同时要求机身响应请求与指令，才能满足生产需求的实时变化。这些都是毫米波 5G 技术能满足现有使用需求、甚至大幅改变产业面貌的使用场景。

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在可以预见的未来 5G 规划中，运营商可以利用低、中、高三层频段来协同组网：1GHz 以下频段做覆盖层，Sub-6GHz 做容量覆盖主流 5G 设备，而毫米波则是热点覆盖高容量需求，从而建成一张全国性的广覆盖、大容量的5G网络，其中最具想象力的，莫过于毫米波 5G 技术能够给智慧生活智能工业带来的更多改变，帮助我们真正实现万物互联。

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在这一过程中，高通作为毫米波技术领域的领先厂商之一，也一直在针对毫米波现有的劣势，推出更多的解决方案，来提升毫米波的可靠性以及数据吞吐性能，以拓展更多毫米波的使用场景。

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在近日，由 GSMA 主导举办的 5G 毫米波技术研讨会中，来自高通的骆涛博士，也就现在毫米波发展中高通的相关研究与落地成果进行了讲解：截止 2020 年年中，高通已经推出了三代支持毫米波的骁龙 5G 调制解调器及射频系统。

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与此同时，不少手机厂商也已经推出了基于骁龙移动平台打造的支持毫米波 5G的智能手机：一加就已经率先推出了支持毫米波 5G 的智能手机并上市；未来一段时间，我们还将会看到越来越多的支持毫米波 5G 的智能终端进入全球市场。
此外，5G 毫米波的低延时高传输速率的特性，还能渗透进更多消费电子生活场景：例如云游戏或云计算领域。这些多终端协调的交互类服务，都需要5G低时延通信特性的支持；与6GHz以下频段相比，5G毫米波终端的实测下载速度快4倍，平均速率高达900Mbps，峰值速率超过2Gbps；对于现在仍然处于推广早期的 4K/8K 视频流媒体服务可以起到极大的促进作用；最后，毫米波的高容量特性，还有助于推动运营商提供更多的无限流量套餐，这对 5G 时代的用户来讲自然是重大利好。

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在未来，毫米波技术的快速落地，让更多用户能够享受到基于毫米波技术的高速 5G 网络体验，也是包括高通在内的不少厂商仍然在追求的目标。提高毫米波的可靠性以及进一步推动毫米波在国内的商用，都需要整个行业所有参与者一同制定相关技术标准，推动相关技术得以实用，才能让 5G 技术真正在更多领域发挥其应有的价值，实现 5G ”万物互联“ 的未来愿景。

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