• 到今年底,全球的5G应该可以说完成了第一波建设,大城市的5G差不多普及开来,但这不是5G的结束,因为后面还有更好的,尤其是5G要实现从能用变成好用的跨越,毫米波技术也是时候登场了。

下面就为大家普及一下毫米波在5G方面到底有多大分量。


什么是频段?
首先简单了解一下波段概念,波段是无线电通讯频率中的一小段电磁波谱,通常以信道(channel)的方式来运用,或将相同类型、属性的无线应用集中配置在某一处,举例来说如:

中波波段(AM broadcast band):(530kHz — 1610kHz,若在美国可至1700kHz)

短波波段(Shortwave bands)(5.9MHz — 26.1MHz)。

高频频段(High frequency)(频率在 3M-30M ,波长从 100 米到 10 米),二战前的早期雷达使用这个频段,因为当时技术能够得到可靠的大功率器件的最高频率。由于波长太大,对小物体的检测性能不好;但是可以超视距工作。

甚高频(VHF,Very high frequency):频率范围是 30M 到 300M,其波长范围是 1 米到 10 米,因此这个波段又称为米波波段、超短波波段。米波雷达的天线较小,二战时可以安装在舰船上,作为搜索/警戒/预警雷达使用;该波段使得飞机难以隐身。

实际上5G是多种技术的集合,光是频段上就分为两部分——FR1和FR2,前者频率范围是450MHz——6GHz,又叫6GHz以下频段,这是最常见的,也是目前的主流。


FR1就是我们常说的sub 6GHz,低于6GHz的部分,这部分将是5G当前的主流应用范围。我们知道频率越低,覆盖能力越强,穿透能力越好,但目前很多频段已经在之前的网络中使用,各国使用状况不同,普遍而已,目前3.5GHz是5G应用最广泛的频谱。

毫米波究竟是什么,为什么这么重要?
在介绍我们的主角之前,先对无线通信做一个简单的介绍,这样便能有一个深刻的认识。

我们都知道,“高传输速率”是5G的一项关键技术指标。那么怎样提高传输速率呢?这里的传输速率,即单位时间里通过信道的数据量。所谓的无线通信是利用无线电磁波进行通信。无线通信的基本原理是将声画信息变换为含有声画信息的电信号,再把电信号“寄载”在比该信号频率高得多的高频振荡信号上去,然后用发射天线以无线电波的形式向周围传播。


这是电磁波谱,它是按照电磁波的频率顺序进行排列而画出来。频率,是电磁波的重要属性。无线通信领域,主要研究的是图中绿色部分。

前面说了,频率是电磁波的重要特性,不同频率的电磁波有不同的特性,也就意味着有不同的用途,所以我们在电磁波这条“大路”上进一步划分车道,分配给不同的对象和用途。


毫米波就位于微波与远红外波相交叠的波长范围,其实它也是兼有两种波谱特点的。FR2频段的频率范围是24.25GHz——52.6GHz,也就是毫米波(mmWave)。


毫米波为何大红大紫?有何优势?
各国之所以看中毫米波的商用价值,是因为其他的频谱资源已经不够用了。事实上,频带利用率不是越高越好就行。所以,人们很自然地将目光转向另一个更简单粗暴的方法——提高频谱系统带宽。
但问题是目前常用的6GHz以下的频段已经基本没有更多的资源可利用了,因为4G时代已经非常拥挤。这时候,人们想到了过去一直没太关注的毫米波频段。


毫米波的最大特点是高频率,但在30-300GHz之间也不是所有频段都可以随意使用的,因为有些频段效能比较差,所以目前很难被使用。3GPP协议38.101-2 Table 5.2-1中,为5G NR FR2波段定义了3段频率,分别是:

n257(26.5GHz~29.5GHz);
n258(24.25GHz~27.5GHz);
n260(37GHz~40GHz);


以28GHz和60GHz频段为例,通信领域有一个原理,无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%,所以两者对应的频谱带宽分别为1GHz和2GHz,而4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下,频谱带宽只有100MHz,毫米波的带宽相当于4G的10倍,由此看来,这是一个有待开发的蓝海。

Ookla最近在美国进行了5G网络速度测试。测试结果表明,5G毫米波系统的下载速度大约是4G LTE的二十倍,是未接入毫米波频段的5G手机下载速度的五倍


除了速率高,毫米波还有不少其他的好处,毫米波的波束很窄,相同天线尺寸要比微波更窄,所以具有良好的方向性,能分辨相距更近的小目标或更为清晰地观察目标的细节。

解决技术短板,成就千亿美元大市场
如今看来目前国内运营商以Sub-6GHz作为5G网络的主力,很少用到毫米波,原因很简单,因为5G毫米波存在一个硬伤——信号。


两大致命短板:

1.氧分子对它的吸收会比低频谱明显,所以毫米波频谱衰减的比较快;
2.该频段穿透障碍物的能力比较差,无法穿过障碍物。

毫米波是波长约在1-10毫米之间的电磁波。电磁波频率越高,波长越短,穿透能力越差。


一片树叶、一张纸、甚至是一滴水的遮挡,就可以让毫米波5G信号彻底“翻车”。

采用毫米波信号的5G手机几乎可以被任何东西挡住信号,电话亭、一棵树、玻璃、雨伞、甚至是...空气,只要基站和手机之间有遮挡,可能转个身,网络会立刻回落到4G。而采用Sub-6GHz和毫米波同时覆盖的运营商则相安无事。

成本问题——基站太多,贵!

除此之外,毫米波的覆盖范围有限且成本昂贵,较大的路径损耗意味着覆盖范围仅限于数百英尺,需要大量的小型基站,但这都得需要钱。除此之外,5G毫米波商用还需解决路径损耗的问题。

但这些技术难题在我们高超的工程师手底下一点点的解开了:

对于路径损耗,窄波束宽度的模拟波束成形能够克服,利用现有站址开展全面的系统仿真实验;身体、墙体、植被、雨滴的阻挡会严重影响信号的传播,因此,利用路径分集和反射,可以引领波束赋形和波束追踪技术发展;由于带宽更大,从本质而言毫米波能耗更高,这为外形尺寸较小的终端带来严峻的散热挑战,高通发布的调制解调器、射频和天线产品,可应对外形尺寸和散热的挑战。

当前有不少国家主要围绕26GHz的毫米波频段进行测试,但规模化部署仍存在一定的技术性挑战——包括覆盖率有限、网格部署成本较高、障碍物的阻断等。阿联酋在毫米波的部署中,重视毫米波在高移动性应用中的作用,依靠波束赋形来解决技术痛点,从而减少部署成本。

所以,想要5G毫米波体验好,必须建很多基站——几乎每个角落都需要!

那为什么5G毫米波这么“弱鸡”却倍受青睐,原因很简单。


5G毫米波载波频率更高,信号带宽更大。以60GHz频段为例,每个信道的频谱带宽达到2.16GHz,相比之下,4G-LTE频段可用频谱带宽只有100MHz。说白了就是5G毫米波网速很快,比Sub-6GHz的5G更快。ITU IMT-2020规范要求5G速度可以达到20Gbit/s,单靠Sub-6GHz是搞不定的,得用上毫米波。

毫米波受到的频段干扰更少。1.9Ghz-6Ghz频段仿佛是拥挤的地铁,Wi-Fi、蓝牙、卫星广播等都“挤”在一起,难免会有“打架”。而毫米波频段就像是无人区飞驰的敞篷跑车,时延极低,容量高,可以同时有更多设备连接。

但刚才提到,毫米波技术本身仍存在一定缺陷,就我国而言,毫米波产业链有待成熟,核心技术和核心器件成熟度较低,系统化和标准化工作有待推进,相较于已经深度部署的低频段,毫米波的技术优势不太明显。

在5G里面它有多大价值?
虽说短板尚在,但应用价值不可估量,工业场景和智慧城市将是5G毫米波的重要用武之地

在工业场景中,高容量、低延时的网络特点有助于提升工业的智能化和自动化程度。目前芬兰很重视毫米波技术在未来工业级方向的应用,此外智慧城市也是未来毫米波的重要应用领域。


总而言之,5G毫米波带宽高,时延低,容量高。在日常生活中,5G毫米波可以帮助你秒速下完蓝光视频、在拥挤的球场享受高速网络。在专业场景,5G毫米波可以实现工业机器人的远程控制、自主工厂运输、远程医疗等。

应用场景比想象中更广
毫米波在未来的应用场景可能超出想象。首先,毫米波的特性决定了它可以主要被应用在大带宽、高容量的场景,面向高频段的eMBB场景,可用于人口密度大、网络容量需求大的热点区域。

1. 大型场馆

毫米波很适合在大型场馆如音乐会、体育馆等人口密集区域进行部署,可以带来数千兆比特的速率以及低时延和无限容量的体验,以往在万人体育场观看演出时手机信号几乎为零、上不了网的情况不会再有,可以为观众带来独有的个性化体验。

2. 室内场景

毫米波可以更好地在室内场景部署应用,实现媲美WiFi的上行和下行链路覆盖,还可以利用更大的带宽满足实现数千兆比特中指突发速率的需求,总之就是让你的上网体验更优质。

需要注意的是,毫米波的波长很小,所以天线也可以做得很小,这样未来在5G毫米波部署时,在普通宏基站基础上一定会有很多微基站(就是小基站)得到部署,在城区街头、室内角落,你都有可能看到。

3. 固定无线宽带接入

毫米波还可用于固定无线宽带接入业务,满足典型如4K、8K电视的传输需求,满足市郊居民区的视频需求,一个典型的场景是家里购买一台CPE设备部署无线网络,然后即可通过电视联网观看高达8K的超高清视频。

何时能有支持毫米波的手机?
可以说,毫米波将会改变我们室内室外的互联状况,极大释放5G潜能。同时,我们随手不离的手机也会进行革新。

其实目前很多手机在硬件上面,都已经开始支持5G毫米波,但是厂商会根据不同国家或者地区的市场,做出改变。目前国内市场以Sub-6GHz为主导,而美国市场,以5G毫米波为主导。

截至目前为止,依然只有高通方案商用,也就是高通的骁龙855+X50 modem+QTM052模块这样的芯片组合。基于这种硬件平台打造的5G手机呈现出一种独特的毫米波5G手机架构:


例如,美版的S20+与S20 Ultra均支持Sub-6GHz和5G毫米波,而Verizo推出的特殊版三星S20,更是解决了S20因为机身过少,无法放下支持毫米波的两个分立天线模块这个问题,同时支持Sub-6GHz和5G毫米波。

总的来讲,如果在国内市场,你可能还买不到国行版支持毫米波手机,因为对于厂商来讲没有推出的必要。而在美国市场,你可以买到。对于国内消费者的话,完全不用为手机缺失对毫米波的支持而恐惧,离它真正在国内的商用还有一段距离。

不过别伤心,今年即将发布的iPhone12 兼具同时支持Sub-6GHz和毫米波双重功能。


中国目光长远的毫米波策略
在5G 毫米波系统部署初期,24.25-29.5GHz 和37-43.5GHz 的接纳度是普遍最高的,全球领先的国家和地区正在计划将这些频带的细则落地,这两个频带也已经在R15 协议中明确规定,并建议按800MHz 定义系统带宽。对于计划在26.5-27.5GHz 上部署的国家,主要是韩国,则建议部署400MHz系统带宽,主要是为了在实践中逐步明确分配,避免在24.25-27.5GHz 上出现碎片化。


中国选择中频频谱部署 5G 的策略发挥了极大的优势,不但能充分发挥国内的技术与产业链优势,也的确有力推动 5G 在国内的部署与应用。

工信部官方数据显示,截至到今年 6 月底,我国建设开通的 5G 基站已经超过 40 万座,而真正连接到 5G 网络的用户也达到了 6600 万。根据法国回声报提供的数据,美国的 5G 用户是 100 万,差不多是中国 5G 用户数量的百分之一。

与此同时,在三大运营商助力下,5G 应用也不断 “乘风破浪”,实现在工业、医疗、交通等垂直行业的 “多点开花”,并打造出一系列行业标杆。
今年夏天,R16将完成,一旦可用,网络就可以最大限度地发挥mmWave频谱的能力,充分发挥5G技术潜力。