毫米波的基础知识和发展

jupitars

[paragraph]根据预测，到今年年底，国内5G基站的数量将可能达到70万个。
就在5G建设如火如荼的同时，随着R16版本的冻结，人们逐渐将关注目光放在5G下一阶段关键技术上。这其中，就包括号称5G杀手锏的毫米波技术。

我们知道，3GPP定义的5G无线电频段范围有2个，分别为FR1频段和FR2频段。
早期的时候，FR1频段的频率范围是450MHz-6GHz，又叫 Sub-6 GHz频段。

                               
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后来，FR1被3GPP改为410-7125MHz
但Sub-6的称呼习惯被保留下来
而FR2频段的频率范围，是24.25GHz-52.6GHz。
因为FR2频段中，多数频率的波长小于10毫米，所以FR2也被称为“毫米波（mmWave）”频段。
2019年，国际电联世界无线电通信大会 (WRC-19) 期间，各国代表经过激烈讨论，确认了5G毫米波的法定频谱范围：
全球范围内，将24.25GHz-27.5GHz、37GHz-43.5GHz、66GHz-71GHz频段，标识用于5G及国际移动通信系统（IMT）未来发展。45.5GHz-47GHz、47.2GHz-48.2GHz频段，可以在部分国家地区用于5G及IMT。

                               
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ITU批准的毫米波频段
频谱资源的确定，极大地鼓舞了产业界对毫米波的信心，刺激了毫米波技术的发展。
毫米波的发展现状
目前，全球已有超过120家运营商正在投资毫米波。
根据2020年8月份的最新数据，目前全球范围内已经有22家运营商部署了毫米波5G系统。其中，进展最快的，是包括美国在内的北美地区。
众所周知，美国因为Sub-6频段资源极其紧缺（大量被军方占用），所以将毫米波频段作为5G先行部署的主要频段。具体来说，是28GHz和24GHz频段（26GHz也在考虑中，37/39/47GHz频段拍卖已完成）。之后，美国也进行了Sub-6GHz频谱拍卖。
紧随其后的是日本和韩国。他们将毫米波用于重点区域的覆盖，所使用的频段也是28GHz为主。
再往后是欧洲和澳洲。
意大利已经进行了毫米波频谱资源的拍卖，德国和英国正在计划之中。他们的使用频段，主要集中在26GHz频段（24.25-27.5GHz）。
澳大利亚的话，主要是在26GHz、40GHz和32GHz，频谱拍卖的计划已经正式宣布。
相比之下，我们中国的毫米波商用计划相对并不是很急迫，目前还处于研究和测试阶段，频段资源也没有进行正式分配。
主要原因，正如前面所说，是因为我们的Sub-6频段资源相对较为充裕（我们是少数可以在Sub-6频段连续分配100MHz频率资源的国家），所以对毫米波的需求并不像美国那么迫切。
当然了，不急并不代表不上。
目前国内关于毫米波的测试早已启动，正在紧锣密鼓地进行之中。据中国移动专家介绍，外场测试的结果跟理论分析数值比较吻合，有效提升了行业对毫米波的信心。

                               
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中国毫米波测试进展（图片来自中国移动）
政策方面，工信部之前就有明确发文，要求：“适时发布部分5G毫米波频段频率使用规划”，“组织开展毫米波设备和性能测试，为5G毫米波技术商用做好储备”。（《工业和信息化部关于推动5G加快发展的通知》，2020-3-24）
三大运营商也都有各自的毫米波商用计划时间表。例如中国移动的专家就透露，将在2022年具备毫米波的规模商用能力。中国联通则表示，将在2021年6月完成冬奥场馆设备部署和毫米波应用产品体验部署，在2022年北京冬奥会进行毫米波技术的展示和应用。
毫米波的优缺点
如果说美国使用毫米波是被逼无奈，那么为什么我们也一定要去折腾毫米波呢？
说白了，还是和毫米波的特点有关。
毫米波最大的特点，就是频段资源丰富。相比于Sub-6频段分配资源时只能5MHz、10MHz、20MHz这样挤牙膏（能有100MHz要感动到哭），毫米波可以轻松分配100MHz以上的带宽资源，甚至达到400MHz或800MHz。
基于如此充沛的频率带宽资源，毫米波5G的无线传输速度可以轻松超过Sub-6数倍。
之前我们看到过国内很多人对5G进行测速，基本上就是1Gbps左右。毫米波的话，根据前文提到的中国移动外场测试结果，小区峰值速率达到了14.7Gbps（基于800MHz频谱带宽）。
香不香？
除了高速率之外，毫米波的大带宽还能带来更低的空口时延，有利于高可靠、低时延业务的部署。
毫米波频率高、波长短，因此，天线的尺寸更小（天线尺寸和波长成正比）。相同体积下，可以集成更多的天线，可以形成更窄的波束，拥有非常高的空间分辨率。
毫米波还支持厘米级的定位，尤其是室内环境中，非常好用。
毫米波有非常明显的优势，也有非常明显的劣势，那就是覆盖能力。
毫米波的覆盖能力是出了名的差。工作频段高，绕射能力差。相同条件下，穿透损耗也高，信号极容易受到遮挡阻断。
有测试数据显示，混凝土墙体对毫米波的损耗可能高达60~109dB。这就意味着，毫米波几乎不具备穿墙的能力。想要通过室外宏站覆盖室内，几乎不可能。
玻璃同样也是毫米波的天敌，会带来明显的损耗。即便是人体或树木，都会对毫米波造成显著影响。
所以，如何对毫米波进行合理部署，如何提高毫米波的覆盖能力，是毫米波成功实现商业落地的前提条件。
毫米波的覆盖提升
目前来看，提升毫米波覆盖的主要方式和思路包括：
一、直接提升发射功率，例如EIRS（等效全向辐射功率），进而提升覆盖范围。
二、采用阵列天线（毫米波的必然选择），合理利用波束赋形和波束管理，宽波束适合增加覆盖面积，窄波束适合增加覆盖距离，两者进行平衡。
三、引入恒介电常数透镜天线（如龙勃透镜天线），获得更高的天线增益。
四、采用反射板等装置，通过增加反射路径，减少覆盖盲区。
五、引入碳化硅、氮化镓等新材料技术，增加功率和性能。
六、采用高低频混合组网，弥补高频覆盖的弱点，同时发挥高频大流量的优点。
七、采用MTRP、IAB等技术，优化链路路由，改善信号覆盖，增强信号鲁棒性（健壮性）。

                               
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MTRP：让手机终端可以同时接收两个基站的信号。当一个发生遮挡，不会影响另外一个信号的传输。
随着技术的不断演进，目前毫米波在室外视距（LOS）传播已经可以达到1-2公里，非视距的话，整体覆盖在100-200米之间（基站EIRP＞60dBm）。
上个月，高通、Casa Systems和爱立信在澳大利亚成功完成了全球首次增程毫米波5G NR数据呼叫，实现了迄今距离最远（3.8公里）的连接，展现毫米波技术的强大远程传输能力。
总而言之，在各项技术的加持下，毫米波的覆盖能力正在不断改善，只要部署合理，完全可以商用落地。
毫米波的应用场景
我们先来了解一下毫米波的应用场景，看看它到底适合部署在哪些场所。
毫米波的大带宽、低时延、弱覆盖特点，决定了它主要适合三类场景：
第一类，是密集人群超大业务流量区域的热点覆盖。例如车站、机场等交通枢纽，体育场、商场、剧院等人群集中区域。
这些区域终端数量多，流量需求大，借助毫米波的部署，可以形成网络的高通量层，提升网络容量的上限。
特别值得一提的是VR/AR。这类场景目前对带宽有很高的需求，尤其是多终端场景下，以8K VR为例，50个设备，大约是5Gbps，是需要毫米波去满足的。
联通冬奥会计划打造大带宽无线场馆，服务于高清全景赛事直播的同时，满足观众、参赛者、工作人员、媒体记者等人员的连接需求，也是毫米波的用武之地。
第二类，是智慧园区、智慧工厂、智慧医院、智慧学校、智慧码头等产业互联网场景。
5G赋能百行千业，引领各行各业的数字化转型。除了大带宽外，行业场景往往都有低时延、高可靠性的需求，也就是5G uRLLC场景需求。
以智能制造为例，机械臂等设备的运行，高精度检测设备的工作，都对时延有很高的要求，借助毫米波的大带宽和低时延，辅以MEC边缘计算及AI人工智能技术，才能够很好地满足现场需求，做到5G落地。
第三类场景，大家可能不太容易想到，那就是固定无线宽带接入（FWA）。
我们国家光纤基础设施比较完善，所以宽带接入基本以光纤为主。但是国外很多国家并没有如此丰富的光纤资源，光纤敷设成本也很高，就会考虑CPE等无线宽带接入方式。
其实很简单，就是用毫米波做最后一公里的接入。将5G信号通过毫米波传送给用户家庭CPE设备，然后转换为Wi-Fi或有线信号，让用户实现宽带上网。如下图所示：

                               
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固定无线宽带接入
这种方式，对于密集住宅区非常有效，成本远低于光纤。
同样的，国外也有将毫米波用于基站回传，也可以满足特定场景环境的需求。
毫米波技术的标准化
3GPP在5G第一个版本，也就是R15版本中，就针对毫米波工作频段进行了标准化，开展了建模研究，给出了基本的功能版本。
在今年6月份冻结的R16版本中，3GPP对毫米波做了一些优化，重点提升毫米波的工作效率，降低通信时延和开销。
R16还引入了很多支持毫米波的5G NR增强特性，例如集成接入及回传（IAB）、增强型波束管理、双连接优化等。

                               
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支持毫米波的5G NR增强特性（图片来自高通）
以集成接入及回传（Integrated Access Backhaul，IAB）为例。这是一项既有利于增强部署，又有利于节约成本开支的技术。

                               
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IAB架构示意图
简单来说，某基站具有光纤回传资源，它周边的其它基站可以通过毫米波与这个基站建立回传关系，不需要每个基站都配备光纤回传资源，只需要提供一个电力，就可以了。
目前正在进行的R17版本，对毫米波进行了增强，适配了更多的场景。同时，R17也将对频谱进行进一步扩展，支持从52.6GHz到71GHz的频段以及60GHz免许可频段，这将极大拓展毫米波频谱的利用范围。
毫米波的产业链
目前，全球几个主流设备厂家都推出了自己的毫米波产品，基本上也都支持800MHz的带宽。
终端芯片方面，早在2018年，第一代毫米波芯片就已经实现商用，当时是支持n257、n260和n261频段。到了2019年，第二代商用毫米波芯片实现了毫米波全频段支持。

                               
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3GPP定义的FR2频段（TS 38.104）
这其中，高通发力最早，目前已经推出三代支持毫米波的5G解决方案骁龙X50、X55、X60。海思Balong5000基带芯片以及三星Exynos5123芯片，均在2019年实现了对毫米波的支持。2020年，联发科Helio M80也将加入。
预计2021年初，搭载骁龙X60的商用旗舰机将推出，届时可支持NR高低频双连接和载波聚合，从而具备5G高低频协同组网的能力。
终端方面，目前已经有摩托罗拉、LG、三星、一加等手机厂商推出毫米波商用智能手机，包括中兴通讯等厂家已经推出了支持毫米波的CPE。
根据中兴通讯分享的数据，经粗略估计，现在大概有60多种终端支持毫米波。根据GSA截至今年8月的数据，已宣布的5G终端中有22.3%支持毫米波频段。
有消息称，苹果也将很快发布支持毫米波的手机。
鉴于毫米波在产业互联网的丰富应用场景，毫米波模组也处于一个快速发展的阶段。国内包括移远通信在内的模组厂家，都推出了毫米波模组，并能够提供相配套的设计服务。
毫米波的未来
毫米波是5G的关键技术，也是特征技术。没有毫米波的5G，很难称之为完整的5G。
因此，我们不能沉浸在Sub-6频段带来的网络性能有限提升之中，而应该加紧对毫米波技术的研究，攻克难关，推动其早日落地。
根据GSMA的预测，在2035年之前，毫米波技术将对全球GDP做出6560亿美元的贡献，占5G总贡献的25%。包括虚拟现实、智能制造、医疗健康、智能交通等多个领域，都将从毫米波技术中获益。
在中国，毫米波将创造的价值也尤为可观。同样是GSMA的预测，到2034年，在中国使用毫米波频段将带来的经济受益将产生约1040亿美元的效应，大约占亚太地区毫米波频段预估贡献值的一半。
现阶段，关于推动毫米波的商业化落地，还有很多工作需要做。
一方面，改善毫米波覆盖能力的技术和方案还有待进一步研究和验证。毫米波频段相对于其它频段来说，还不够成熟，包括移动性管理能力等。毫米波的业务和组网也需要进一步验证。毫米波的设备体系还需要进一步完善。
另一方面，国内毫米波使用的频段急需明确（目前外场测试频段是24.75-27.5GHz）。频率是通信技术的先导，只有频率明确了，产业链才有清晰的方向指引，也有投入资源的信心。
此外，毫米波的商业落地，还需要产业界更加紧密的合作、政策上更为明确的支持，以及垂直行业更多的业务示范场景。
这些都不是一日之功，需要一年甚至几年的时间来逐步推进。
相信到了2022年，毫米波一定能够以更加成熟、更加完整的面貌与我们见面，再次掀起一股5G创新的热潮！

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