毫米波，距離我們還有多遠？_風聞

　　根據預測，到今年年底，國內5G基站的數量將可能達到70萬個。

　　就在5G建設如火如荼的同時，隨着R16版本的凍結，人們逐漸將關注目光放在5G下一階段關鍵技術上。這其中，就包括號稱5G殺手鐧的毫米波技術。

　　我們知道，3GPP定義的5G無線電頻段範圍有2個，分別為FR1頻段和FR2頻段。

　　早期的時候，FR1頻段的頻率範圍是450MHz-6GHz，又叫 Sub-6 GHz頻段。

　　後來，FR1被3GPP改為410-7125MHz

　　但Sub-6的稱呼習慣被保留下來

　　而FR2頻段的頻率範圍，是24.25GHz-52.6GHz。

　　因為FR2頻段中，多數頻率的波長小於10毫米，所以FR2也被稱為“毫米波（mmWave）”頻段。

　　2019年，國際電聯世界無線電通信大會 (WRC-19) 期間，各國代表經過激烈討論，確認了5G毫米波的法定頻譜範圍：

　　全球範圍內，將24.25GHz-27.5GHz、37GHz-43.5GHz、66GHz-71GHz頻段，標識用於5G及國際移動通信系統（IMT）未來發展。45.5GHz-47GHz、47.2GHz-48.2GHz頻段，可以在部分國家地區用於5G及IMT。

ITU批准的毫米波頻段

　　頻譜資源的確定，極大地鼓舞了產業界對毫米波的信心，刺激了毫米波技術的發展。

　　▉ 毫米波的發展現狀

　　目前，全球已有超過120家運營商正在投資毫米波。

　　根據2020年8月份的最新數據，目前全球範圍內已經有22家運營商部署了毫米波5G系統。其中，進展最快的，是包括美國在內的北美地區。

　　眾所周知，美國因為Sub-6頻段資源極其緊缺（大量被軍方佔用），所以將毫米波頻段作為5G先行部署的主要頻段。具體來説，是28GHz和24GHz頻段（26GHz也在考慮中，37/39/47GHz頻段拍賣已完成）。之後，美國也進行了Sub-6GHz頻譜拍賣。

　　緊隨其後的是日本和韓國。他們將毫米波用於重點區域的覆蓋，所使用的頻段也是28GHz為主。

　　再往後是歐洲和澳洲。

　　意大利已經進行了毫米波頻譜資源的拍賣，德國和英國正在計劃之中。他們的使用頻段，主要集中在26GHz頻段（24.25-27.5GHz）。

　　澳大利亞的話，主要是在26GHz、40GHz和32GHz，頻譜拍賣的計劃已經正式宣佈。

　　相比之下，我們中國的毫米波商用計劃相對並不是很急迫，目前還處於研究和測試階段，頻段資源也沒有進行正式分配。

　　主要原因，正如前面所説，是因為我們的Sub-6頻段資源相對較為充裕（我們是少數可以在Sub-6頻段連續分配100MHz頻率資源的國家），所以對毫米波的需求並不像美國那麼迫切。

　　當然了，不急並不代表不上。

　　目前國內關於毫米波的測試早已啓動，正在緊鑼密鼓地進行之中。據中國移動專家介紹，外場測試的結果跟理論分析數值比較吻合，有效提升了行業對毫米波的信心。

中國毫米波測試進展（圖片來自中國移動）

　　政策方面，工信部之前就有明確發文，要求：“適時發佈部分5G毫米波頻段頻率使用規劃”，“組織開展毫米波設備和性能測試，為5G毫米波技術商用做好儲備”。（《工業和信息化部關於推動5G加快發展的通知》，2020-3-24）

　　三大運營商也都有各自的毫米波商用計劃時間表。例如中國移動的專家就透露，將在2022年具備毫米波的規模商用能力。中國聯通則表示，將在2021年6月完成冬奧場館設備部署和毫米波應用產品體驗部署，在2022年北京冬奧會進行毫米波技術的展示和應用。

　　▉ 毫米波的優缺點

　　如果説美國使用毫米波是被逼無奈，那麼為什麼我們也一定要去折騰毫米波呢？

　　説白了，還是和毫米波的特點有關。

　　毫米波最大的特點，就是頻段資源豐富。相比於Sub-6頻段分配資源時只能5MHz、10MHz、20MHz這樣擠牙膏（能有100MHz要感動到哭），毫米波可以輕鬆分配100MHz以上的帶寬資源，甚至達到400MHz或800MHz。

　　基於如此充沛的頻率帶寬資源，毫米波5G的無線傳輸速度可以輕鬆超過Sub-6數倍。

　　之前我們看到過國內很多人對5G進行測速，基本上就是1Gbps左右。毫米波的話，根據前文提到的中國移動外場測試結果，小區峯值速率達到了14.7Gbps（基於800MHz頻譜帶寬）。

　　香不香？

　　除了高速率之外，毫米波的大帶寬還能帶來更低的空口時延，有利於高可靠、低時延業務的部署。

　　毫米波頻率高、波長短，因此，天線的尺寸更小（天線尺寸和波長成正比）。相同體積下，可以集成更多的天線，可以形成更窄的波束，擁有非常高的空間分辨率。

　　毫米波還支持釐米級的定位，尤其是室內環境中，非常好用。

　　毫米波有非常明顯的優勢，也有非常明顯的劣勢，那就是覆蓋能力。

　　毫米波的覆蓋能力是出了名的差。工作頻段高，繞射能力差。相同條件下，穿透損耗也高，信號極容易受到遮擋阻斷。

　　有測試數據顯示，混凝土牆體對毫米波的損耗可能高達60~109dB。這就意味着，毫米波幾乎不具備穿牆的能力。想要通過室外宏站覆蓋室內，幾乎不可能。

　　玻璃同樣也是毫米波的天敵，會帶來明顯的損耗。即便是人體或樹木，都會對毫米波造成顯著影響。

　　所以，如何對毫米波進行合理部署，如何提高毫米波的覆蓋能力，是毫米波成功實現商業落地的前提條件。

　　▉ 毫米波的覆蓋提升

　　目前來看，提升毫米波覆蓋的主要方式和思路包括：

　　一、直接提升發射功率，例如EIRS（等效全向輻射功率），進而提升覆蓋範圍。

　　二、採用陣列天線（毫米波的必然選擇），合理利用波束賦形和波束管理，寬波束適合增加覆蓋面積，窄波束適合增加覆蓋距離，兩者進行平衡。

　　三、引入恆介電常數透鏡天線（如龍勃透鏡天線），獲得更高的天線增益。

　　四、採用反射板等裝置，通過增加反射路徑，減少覆蓋盲區。

　　五、引入碳化硅、氮化鎵等新材料技術，增加功率和性能。

　　六、採用高低頻混合組網，彌補高頻覆蓋的弱點，同時發揮高頻大流量的優點。

　　七、採用MTRP、IAB等技術，優化鏈路路由，改善信號覆蓋，增強信號魯棒性（健壯性）。

　　MTRP：讓手機終端可以同時接收兩個基站的信號。當一個發生遮擋，不會影響另外一個信號的傳輸。

　　隨着技術的不斷演進，目前毫米波在室外視距（LOS）傳播已經可以達到1-2公里，非視距的話，整體覆蓋在100-200米之間（基站EIRP＞60dBm）。

　　上個月，高通、Casa Systems和愛立信在澳大利亞成功完成了全球首次增程毫米波5G NR數據呼叫，實現了迄今距離最遠（3.8公里）的連接，展現毫米波技術的強大遠程傳輸能力。

　　總而言之，在各項技術的加持下，毫米波的覆蓋能力正在不斷改善，只要部署合理，完全可以商用落地。

　　▉ 毫米波的應用場景

　　我們先來了解一下毫米波的應用場景，看看它到底適合部署在哪些場所。

　　毫米波的大帶寬、低時延、弱覆蓋特點，決定了它主要適合三類場景：

　　第一類，是密集人羣超大業務流量區域的熱點覆蓋。例如車站、機場等交通樞紐，體育場、商場、劇院等人羣集中區域。

　　這些區域終端數量多，流量需求大，藉助毫米波的部署，可以形成網絡的高通量層，提升網絡容量的上限。

　　特別值得一提的是VR/AR。這類場景目前對帶寬有很高的需求，尤其是多終端場景下，以8K VR為例，50個設備，大約是5Gbps，是需要毫米波去滿足的。

　　聯通冬奧會計劃打造大帶寬無線場館，服務於高清全景賽事直播的同時，滿足觀眾、參賽者、工作人員、媒體記者等人員的連接需求，也是毫米波的用武之地。

　　第二類，是智慧園區、智慧工廠、智慧醫院、智慧學校、智慧碼頭等產業互聯網場景。

　　5G賦能百行千業，引領各行各業的數字化轉型。除了大帶寬外，行業場景往往都有低時延、高可靠性的需求，也就是5G uRLLC場景需求。

　　以智能製造為例，機械臂等設備的運行，高精度檢測設備的工作，都對時延有很高的要求，藉助毫米波的大帶寬和低時延，輔以MEC邊緣計算及AI人工智能技術，才能夠很好地滿足現場需求，做到5G落地。

　　第三類場景，大家可能不太容易想到，那就是固定無線寬帶接入（FWA）。

　　我們國家光纖基礎設施比較完善，所以寬帶接入基本以光纖為主。但是國外很多國家並沒有如此豐富的光纖資源，光纖敷設成本也很高，就會考慮CPE等無線寬帶接入方式。

　　其實很簡單，就是用毫米波做最後一公里的接入。將5G信號通過毫米波傳送給用户家庭CPE設備，然後轉換為Wi-Fi或有線信號，讓用户實現寬帶上網。如下圖所示：

固定無線寬帶接入

　　這種方式，對於密集住宅區非常有效，成本遠低於光纖。

　　同樣的，國外也有將毫米波用於基站回傳，也可以滿足特定場景環境的需求。

　　▉ 毫米波技術的標準化

　　3GPP在5G第一個版本，也就是R15版本中，就針對毫米波工作頻段進行了標準化，開展了建模研究，給出了基本的功能版本。

　　在今年6月份凍結的R16版本中，3GPP對毫米波做了一些優化，重點提升毫米波的工作效率，降低通信時延和開銷。

　　R16還引入了很多支持毫米波的5G NR增強特性，例如集成接入及回傳（IAB）、增強型波束管理、雙連接優化等。

支持毫米波的5G NR增強特性（圖片來自高通）

　　以集成接入及回傳（Integrated Access Backhaul，IAB）為例。這是一項既有利於增強部署，又有利於節約成本開支的技術。

IAB架構示意圖

　　簡單來説，某基站具有光纖回傳資源，它周邊的其它基站可以通過毫米波與這個基站建立回傳關係，不需要每個基站都配備光纖回傳資源，只需要提供一個電力，就可以了。

　　目前正在進行的R17版本，對毫米波進行了增強，適配了更多的場景。同時，R17也將對頻譜進行進一步擴展，支持從52.6GHz到71GHz的頻段以及60GHz免許可頻段，這將極大拓展毫米波頻譜的利用範圍。

　　▉ 毫米波的產業鏈

　　目前，全球幾個主流設備廠家都推出了自己的毫米波產品，基本上也都支持800MHz的帶寬。

　　終端芯片方面，早在2018年，第一代毫米波芯片就已經實現商用，當時是支持n257、n260和n261頻段。到了2019年，第二代商用毫米波芯片實現了毫米波全頻段支持。

　　3GPP定義的FR2頻段（TS 38.104）

　　這其中，高通發力最早，目前已經推出三代支持毫米波的5G解決方案驍龍X50、X55、X60。海思Balong5000基帶芯片以及三星Exynos5123芯片，均在2019年實現了對毫米波的支持。2020年，聯發科Helio M80也將加入。

　　預計2021年初，搭載驍龍X60的商用旗艦機將推出，屆時可支持NR高低頻雙連接和載波聚合，從而具備5G高低頻協同組網的能力。

　　終端方面，目前已經有摩托羅拉、LG、三星、一加等手機廠商推出毫米波商用智能手機，包括中興通訊等廠家已經推出了支持毫米波的CPE。

　　根據中興通訊分享的數據，經粗略估計，現在大概有60多種終端支持毫米波。根據GSA截至今年8月的數據，已宣佈的5G終端中有22.3%支持毫米波頻段。

　　有消息稱，蘋果也將很快發佈支持毫米波的手機。

　　鑑於毫米波在產業互聯網的豐富應用場景，毫米波模組也處於一個快速發展的階段。國內包括移遠通信在內的模組廠家，都推出了毫米波模組，並能夠提供相配套的設計服務。

　　▉ 毫米波的未來

　　毫米波是5G的關鍵技術，也是特徵技術。沒有毫米波的5G，很難稱之為完整的5G。

　　因此，我們不能沉浸在Sub-6頻段帶來的網絡性能有限提升之中，而應該加緊對毫米波技術的研究，攻克難關，推動其早日落地。

　　根據GSMA的預測，在2035年之前，毫米波技術將對全球GDP做出6560億美元的貢獻，佔5G總貢獻的25%。包括虛擬現實、智能製造、醫療健康、智能交通等多個領域，都將從毫米波技術中獲益。

　　在中國，毫米波將創造的價值也尤為可觀。同樣是GSMA的預測，到2034年，在中國使用毫米波頻段將帶來的經濟受益將產生約1040億美元的效應，大約佔亞太地區毫米波頻段預估貢獻值的一半。

　　現階段，關於推動毫米波的商業化落地，還有很多工作需要做。

　　一方面，改善毫米波覆蓋能力的技術和方案還有待進一步研究和驗證。毫米波頻段相對於其它頻段來説，還不夠成熟，包括移動性管理能力等。毫米波的業務和組網也需要進一步驗證。毫米波的設備體系還需要進一步完善。

　　另一方面，國內毫米波使用的頻段急需明確（目前外場測試頻段是24.75-27.5GHz）。頻率是通信技術的先導，只有頻率明確了，產業鏈才有清晰的方向指引，也有投入資源的信心。

　　此外，毫米波的商業落地，還需要產業界更加緊密的合作、政策上更為明確的支持，以及垂直行業更多的業務示範場景。

　　這些都不是一日之功，需要一年甚至幾年的時間來逐步推進。

　　相信到了2022年，毫米波一定能夠以更加成熟、更加完整的面貌與我們見面，再次掀起一股5G創新的熱潮！