0 引言

毫米波一般指波長1～10 mm、頻率30～300 GHz 的電磁波。在毫米波頻段可以構(gòu)建高達(dá)800 MHz的超大帶寬通信系統(tǒng)，通信速率高達(dá)10 Gbit/s，可以滿足ITU對于5G 通信系統(tǒng)的要求。毫米波已經(jīng)成為3GPP 5G移動通信系統(tǒng)的必要組成部分［1-4］。

國內(nèi)6 GHz 以下5G 系統(tǒng)已經(jīng)在2019 年11 月1 日全面商用，行業(yè)目光開始轉(zhuǎn)向5G 后續(xù)演進(jìn)和5G 毫米波系統(tǒng)。毫米波產(chǎn)業(yè)鏈在高頻器件性能［5］、波束賦形和波束管理算法［6］、鏈路特性等方面均開展了很多研究［7］。運營商也已經(jīng)開始從系統(tǒng)應(yīng)用角度考慮5G 毫米波部署和應(yīng)用問題［8-10］。參考文獻(xiàn)［9］分析了毫米波系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，并提出推動毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工作建議。參考文獻(xiàn)［10］提出毫米波幾種主要的部署場景，進(jìn)一步提出了設(shè)備和終端的發(fā)展要求和網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)劃。

但是從多次行業(yè)會議的反饋情況來看，通信產(chǎn)業(yè)各方對于毫米波產(chǎn)業(yè)路線還不明晰，對于毫米波產(chǎn)業(yè)信心不足。究其原因，一是目前的5G 剛剛部署，未出現(xiàn)殺手級應(yīng)用，毫米波部署缺少業(yè)務(wù)需求的推動。二是對于毫米波通信系統(tǒng)在通信系統(tǒng)中的定位和毫米波系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面缺乏系統(tǒng)性的分析，導(dǎo)致行業(yè)對毫米波產(chǎn)業(yè)規(guī)模的預(yù)期有分歧。三是目前國內(nèi)毫米波產(chǎn)業(yè)鏈比較薄弱，短期內(nèi)設(shè)備和終端無法滿足部署需求，產(chǎn)業(yè)鏈還需要一定的發(fā)展時間。

本文首先介紹了毫米波標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展和毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展和5G系統(tǒng)設(shè)計角度分析毫米波系統(tǒng)的必要性，最后在分析毫米波關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)上，提出毫米波典型的應(yīng)用場景。

1 5G毫米波標(biāo)準(zhǔn)化和頻譜使用情況

1.1 5G毫米波標(biāo)準(zhǔn)化情況

頻譜是移動通信產(chǎn)業(yè)最為寶貴的資源，任何一代移動通信技術(shù)的正式商用，前提都必須獲取一定的頻譜資源。國際電聯(lián)（ITU）面向2019年世界無線電通信大會（WRC-19）的1.13 議題的主要目標(biāo)是為5G 尋求全球或區(qū)域協(xié)調(diào)一致的毫米波頻段，是全球開展5G毫米波研究的重要依托。ITU WRC-19 大會對毫米波頻段提出明確的頻段建議，此次會議共討論24～86 GHz范圍內(nèi)11個頻段，會議主要結(jié)論如表1所示。

表1 1.13議題主要結(jié)論

1.1.1 24.25～27.5 GHz頻段

標(biāo)識24.25～27.5 GHz 可在全球用于IMT 系統(tǒng)。同時，為保護(hù)現(xiàn)有衛(wèi)星在用系統(tǒng)，5G 系統(tǒng)需滿足下述技術(shù)要求。

a）帶外技術(shù)指標(biāo)。

（a）面向23.6～24 GHz 的EESS（無源）業(yè)務(wù)頻段范圍，IMT 基站向其中任意每200 MHz 的帶外非期望發(fā)射限值為-33 dBW。在2027 年9 月后，上述限值將調(diào)整至-39 dBW，但此前已部署的基站不受影響。

（b）面向23.6～24 GHz 的EESS（無源）業(yè)務(wù)頻段范圍，IMT 移動終端向其中任意每200 MHz 的帶外非期望發(fā)射限值為-29 dBW。在2027 年9 月后，上述限值將調(diào)整至-35 dBW，但此前已使用終端不受影響。

b）帶內(nèi)技術(shù)指標(biāo)。

（a）室外基站的發(fā)射天線通常指向水平線以下，機械指向需在水平線或以下。

（b）對于每波束等效同向輻射功率（EIRP）值超過30 dB（W/200 MHz）的IMT 基站，應(yīng)使其天線最大輻射方向在IMT 基站視距內(nèi)與對地靜止衛(wèi)星軌道偏離±7.5度。

（c）鼓勵各主管部門使IMT 基站的天線方向圖保持在ITU R M.2101建議書規(guī)定的近似包絡(luò)范圍內(nèi)。

1.1.2 37～43.5 GHz頻段

標(biāo)識37～43.5 GHz 頻段或其中的一部分可在全球用于IMT 系統(tǒng)。同時，為保護(hù)現(xiàn)有衛(wèi)星在用系統(tǒng)，5G系統(tǒng)需滿足下述技術(shù)要求。

a）為保護(hù)36～37 GHz頻段內(nèi)的EESS（無源），工作在37～40.5 GHz 頻段內(nèi)的IMT 臺站適用的強制無用發(fā)射限值為-43 dB（W/MHz）和-23 dB（W/GHz）。為了實現(xiàn)更好的保護(hù)，推薦各主管部門考慮-30 dB（W/GHz）。

b）在42.5～43.5 GHz 頻段內(nèi)部署IMT 基站時，應(yīng)采取實際措施以確保室外基站的發(fā)射天線通常指向水平線以下。機械指向需要在水平線或水平線以下。

c）在42.5～43.5 GHz頻段內(nèi)部署IMT基站時，對于每波束等效同向輻射功率（EIRP）值超過30 dB（W/200 MHz）的IMT 基站，應(yīng)使其天線最大輻射方向在IMT基站視距內(nèi)與對地靜止衛(wèi)星軌道偏離±7.5度。

d）鼓勵各主管部門使IMT 基站的天線方向圖保持在ITU R M.2101建議書規(guī)定的近似包絡(luò)范圍內(nèi)。

1.1.3 66～71 GHz頻段

標(biāo)識66～71 GHz 頻段在1 區(qū)、3 區(qū)和2 區(qū)部分國家可用于IMT 系統(tǒng)。同時，為保護(hù)現(xiàn)有衛(wèi)星在用系統(tǒng)，5G系統(tǒng)需滿足一定的兼容共存技術(shù)要求。

1.1.4 45.5～47 GHz頻段

標(biāo)識45.5～47 GHz 頻段在部分國家可用于IMT 系統(tǒng)。同時，為保護(hù)現(xiàn)有衛(wèi)星在用系統(tǒng)，5G 系統(tǒng)需滿足一定的兼容共存技術(shù)要求。

1.1.5 47.2～48.2 GHz頻段

標(biāo)識47.2～48.2 GHz 頻段在部分國家可用于IMT系統(tǒng)。

a）在47.2～48.2 GHz頻段內(nèi)部署IMT基站時，應(yīng)采取實際措施以確保室外基站的發(fā)射天線通常指向水平線以下。機械指向需要在水平線或水平線以下。

b）在47.2～48.2 GHz 頻段內(nèi)部署IMT 基站時，對于每波束等效同向輻射功率（EIRP）值超過30 dB（W/200 MHz）的IMT 基站，應(yīng)使其天線最大輻射方向在IMT基站視距內(nèi)與對地靜止衛(wèi)星軌道偏離±7.5度。

c）鼓勵各主管部門使IMT 基站的天線方向圖保持在ITU R M.2101建議書規(guī)定的近似包絡(luò)范圍內(nèi)。

在3GPP 中毫米波頻段的射頻標(biāo)準(zhǔn)討論和制定工作由3GPP RAN4牽頭開展，研究分為2個階段：第1階段研究40 GHz 以下的頻率，以滿足較為緊急的商業(yè)需求，于2018 年12 月完成。第2 階段計劃從2018 年開始，到2019 年12 月完成，該階段專注于最高100 GHz的頻率，以全面實現(xiàn)IMT-2020 的愿景。5G 頻段具有多樣性，一般包括6 GHz 以下和24.25～52.6 GHz，第1階段頻譜分配定義了52.6 GHz 以下的毫米波頻譜，如表2所示。

表2 3GPP 毫米波頻段

在3GPP 中，上述毫米波頻段和3.5 GHz 的NR 系統(tǒng)是同步標(biāo)準(zhǔn)化，2020年初完成R16版本的固化。

1.2 5G毫米波頻譜分配和使用情況

毫米波部署初期，大多數(shù)的國家將注意力都集中在26 GHz 和28 GHz 這2 個頻段上，在這2 個頻段上投入的資源也是最多的。美國、韓國、日本等國家已陸續(xù)完成5G 毫米波頻譜的劃分與拍賣，5G 商業(yè)部署前景明朗。英國、德國等國家已經(jīng)確認(rèn)了5G中高頻待分配或待招標(biāo)的頻段［10］。

目前我國毫米波頻譜的具體規(guī)劃未正式發(fā)布。工業(yè)和信息化部于2017年7月批復(fù)24.75～27.5 GHz和37～42.5 GHz頻段用于我國5G技術(shù)研發(fā)毫米波實驗頻段，試驗地點為中國信息通信研究院試驗室以及北京懷柔、順義的5G 技術(shù)試驗外場。國內(nèi)IMT-2020（5G）推進(jìn)組成立高頻討論組，制定毫米波關(guān)鍵技術(shù)要求、毫米波外場性能測試方法等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)明確射頻測試規(guī)范并開始內(nèi)外場測試。2019 年重點驗證5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)特性；2020年重點驗證毫米波基站和終端的功能、性能和互操作；2020 年到2021年開展典型場景驗證。

2 5G毫米波產(chǎn)業(yè)鏈情況

毫米波基帶部分與5G 低頻段設(shè)備具有相同成熟度，但是射頻相關(guān)的功能和性能較5G低頻段設(shè)備有較大差距。由于目前國內(nèi)尚未明確毫米波頻譜規(guī)劃，所以廠家設(shè)備頻段以北美和日韓頻段為主，設(shè)備可以支持基本功能，但是部分功能如波束管理、移動性等有待進(jìn)一步完善。高通已經(jīng)能夠提供商用的毫米波終端芯片X55，該芯片單載波帶寬為100 MHz，尚未支持單載波400 MHz 甚至800 MHz。在商用終端方面，OP?PO/VIVO/ZTE 在2020年第1季度推出基于X55芯片的旗艦終端。

高頻器件與芯片是毫米波通信設(shè)備的基礎(chǔ)，為滿足更高階調(diào)制方式及多用戶通信等需求，高頻功率放大器、低噪聲放大器需要進(jìn)一步提升輸出功率、功率效率、及線性度等性能；鎖相環(huán)系統(tǒng)需要進(jìn)一步改善其相位噪聲及調(diào)諧范圍等性能；濾波器需要提升其帶寬、插入損耗等性能；數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器件需要滿足至少1 GHz 的信道帶寬的采樣需求，提高精度并降低功耗；新型的高頻陣列天線需要滿足高增益波束和大范圍空間掃描等方面需求。在高速高精度的數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、高頻功率放大器、低噪聲放大器、濾波器、集成封裝天線等方面，目前國內(nèi)研發(fā)成果和技術(shù)原型方面的技術(shù)積累并不少，但是成果應(yīng)用偏向軍工口，在通信行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈方面存在原型系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)化的脫節(jié)，適用于民用通信的器件材料工藝成熟度與全球領(lǐng)先企業(yè)存在較大差距。

作為5G高頻段通信系統(tǒng)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵步驟，低成本、高可靠性的封裝及測試等技術(shù)也至關(guān)重要。目前我國5G毫米波芯片和終端型號較少，覆蓋種類和形態(tài)不夠豐富，產(chǎn)業(yè)鏈成熟度落后于5G 低頻，也落后于美國、歐洲等國際先進(jìn)水平，是我國5G 毫米波發(fā)展與應(yīng)用的阻礙因素。

3 5G毫米波系統(tǒng)需求明確

3.1 移動通信系統(tǒng)向毫米波延伸是面對業(yè)務(wù)需求的必然選擇

移動通信系統(tǒng)為滿足業(yè)務(wù)對于通信速率需求，一方面需要進(jìn)一步提升頻譜效率，通過如高階調(diào)制、大規(guī)模MIMO 等方式提升系統(tǒng)業(yè)務(wù)承載能力。另一方面需要加大系統(tǒng)帶寬，同時通過載波聚合、雙連接等技術(shù)持續(xù)增強數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)容量。然而目前6 GHz以下的頻譜資源已經(jīng)分配殆盡，很難再找到連續(xù)的大帶寬頻譜來支撐移動通信的超高數(shù)據(jù)傳輸速率。

相較于低頻段，毫米波頻段有豐富的帶寬資源，可以實現(xiàn)800 MHz 的大帶寬傳輸，為超高速通信業(yè)務(wù)提供了可能。同時毫米波波長短，元器件尺寸較小，便于設(shè)備的集成和小型化。

隨著高容量、高速率、低時延業(yè)務(wù)發(fā)展，通信頻段必然向毫米波方向延伸，目前已經(jīng)確定5G移動通信的基本架構(gòu)將采用中低頻段+毫米波頻段相結(jié)合的通信方式。

3.2 加速推動毫米波產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展是參與國際競爭的必然要求

移動通信對經(jīng)濟具有巨大的促進(jìn)作用，5G 乃至6G 移動通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)是國際競爭的重要領(lǐng)域。毫米波系統(tǒng)是5G 通信系統(tǒng)的重要組成部分，同時也是6G 更高頻移動通信系統(tǒng)的技術(shù)準(zhǔn)備。從2019 年底ITU WRC 大會上關(guān)于毫米波頻段分配受到產(chǎn)業(yè)界、經(jīng)濟界廣泛關(guān)注就可以看出，毫米波是通信領(lǐng)域競爭的焦點之一。GSMA 發(fā)布《毫米波頻段內(nèi)提供5G 服務(wù)將帶來的社會經(jīng)濟效益》分析指出：毫米波在亞太和美洲地區(qū)建立的早期領(lǐng)先優(yōu)勢預(yù)計將最先創(chuàng)造最大GDP 份額，分別達(dá)到2 120 億美元和1 900 億美元；歐洲由毫米波產(chǎn)生的GDP 增長率將高于其他任何地區(qū)，達(dá)到2.9%。

當(dāng)前國內(nèi)毫米波產(chǎn)業(yè)鏈整體上落后于美國，特別是高頻器件方面的產(chǎn)業(yè)化水平明顯落后。經(jīng)過廣泛調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)毫米波產(chǎn)業(yè)鏈問題主要集中在原型系統(tǒng)和原型芯片與規(guī)模生產(chǎn)的脫節(jié)，原型系統(tǒng)和原型芯片的試制和測試需要較長的周期和較大投資，需要進(jìn)行產(chǎn)業(yè)政策的扶持。目前國家工信部、科技部等部委均有重大項目和產(chǎn)業(yè)政策方面的傾斜，部分經(jīng)濟發(fā)達(dá)省份也將毫米波等高頻產(chǎn)業(yè)鏈視為重點發(fā)展方向予以扶持。國內(nèi)產(chǎn)、學(xué)、研多方機構(gòu)也已經(jīng)在該方面紛紛發(fā)力，提高國產(chǎn)毫米波器件與芯片的技術(shù)能力與產(chǎn)業(yè)水平。

3.3 毫米波系統(tǒng)應(yīng)用場景逐漸明確

從毫米波傳播特性和覆蓋能力考慮，5G 毫米波適合部署在相對空曠無遮擋或少遮擋的園區(qū)環(huán)境。經(jīng)過多次行業(yè)會議和研討會討論，業(yè)界已經(jīng)明確毫米波的典型的部署場景。

a）行業(yè)專網(wǎng)場景。5G 毫米波系統(tǒng)與MEC、AI 技術(shù)相結(jié)合，可以為覆蓋區(qū)域提供“大容量高速率+本地化”的智能解決方案，滿足行業(yè)客戶低時延、大帶寬、安全隔離的需求。

b）品牌價值區(qū)。毫米波在部署初期將與6 GHz以下頻段的5G 系統(tǒng)結(jié)合，形成5G 系統(tǒng)高低頻混合組網(wǎng)方式，用于重要品牌價值區(qū)域的覆蓋，提升品牌價值，或者用于人流密集場所和熱點區(qū)域的吸熱，提供進(jìn)一步的大容量上傳能力。

c）大帶寬回傳場景。毫米波可以作為無線回傳鏈路，利用高達(dá)800 MHz 帶寬、10 Gbit/s 的系統(tǒng)峰值速率，解決一些場景無法布放光纖或布放光纖代價過高的固定無線寬帶場景，或者毫米波自回傳組網(wǎng)場景。

3.4 毫米波系統(tǒng)是運營商服務(wù)能力的競爭高地

毫米波技術(shù)相對于5G低頻具有帶寬、時延和靈活彈性空口配置等獨特的優(yōu)勢，可以有效滿足未來無線通信系統(tǒng)容量、傳輸速率和差異化應(yīng)用等需求，是運營商滿足大帶寬上行業(yè)務(wù)的必要手段。盡早開展毫米波方面的研究、試點應(yīng)用，有利于運營商引導(dǎo)毫米波標(biāo)準(zhǔn)制定和設(shè)備研發(fā)方向，盡早做好毫米波網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備方面的準(zhǔn)備，進(jìn)而搶占萬兆大帶寬網(wǎng)絡(luò)能力的高地。

4 5G毫米波典型應(yīng)用場景分析

智慧冬奧場館是毫米波應(yīng)用的典型場景。在大型場館內(nèi)的進(jìn)行室內(nèi)高低頻混合組網(wǎng)，打造純無線場館，滿足場館內(nèi)電視臺媒體的4K、8K 攝像轉(zhuǎn)播，滿足實時VR 影像、運動員視角影像等多角度實時體驗，滿足公眾自拍直播和場館安保等業(yè)務(wù)服務(wù)。在冬奧會室外場館沿賽道部署毫米波自回傳系統(tǒng)，賽道旁架設(shè)的攝像機借助高帶寬和高速率的毫米波回傳視頻信息，能夠避免復(fù)雜的布線工作，同時也避免了惡劣環(huán)境下線纜的安全隱患。

a）轉(zhuǎn)播和攝像。冬奧會比賽場館眾多，比賽場地頻繁更換，運動員和觀眾等的人員位置也隨時移動更換。攝像機借助高帶寬和高速率的毫米波進(jìn)行轉(zhuǎn)播和攝像，能夠避免重復(fù)布線工作，更加靈活快捷。

b）360 度全景攝像。冬奧會場館部署360 度攝像頭+5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比賽直播，電視觀眾不再只能固定欣賞平臺拍攝的畫面，可以隨意選擇鏡頭和角度，改變觀賽視角。

c）運動員頭戴式AR/VR。為運動員佩戴便捷小巧的可穿戴設(shè)備，比如頭戴式AR/VR，可以利用增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以運動員視角，對比賽的精彩過程進(jìn)行全方位多角度的展示和拆解，輔助疊加以相應(yīng)的圖像、講解和3D 模型等內(nèi)容，讓競技體育不再單一枯燥，變得更形象、生動和豐富，滿足觀眾多角度、多視覺、身臨其境的觀賽體驗。

d）網(wǎng)紅的自拍和直播。冬奧會場還可能存在很多網(wǎng)紅自拍和直播業(yè)務(wù)。自拍回傳對網(wǎng)絡(luò)上行提出很高的要求，毫米波可以有效地提供目前sub6G 系統(tǒng)無法滿足的大帶寬上行需求。

e）場館AI視頻監(jiān)控和人臉識別。移動機器人、巡檢無人機和移動人臉識別等創(chuàng)新監(jiān)控技術(shù)與傳統(tǒng)方式結(jié)合，可以提升冬奧會安防等級。5G毫米波+MEC+AI 的園區(qū)專網(wǎng)可以把移動端采集的視頻圖像快速上傳并進(jìn)行邊緣智能識別，實現(xiàn)場館態(tài)勢實時分析和人臉快速智能識別，保障場館安全。

5 結(jié)束語

本文介紹了毫米波標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展情況和毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展、競爭需求、應(yīng)用場景等角度分析毫米波系統(tǒng)的必要性，最后提出以智慧冬奧場館為代表的毫米波應(yīng)用場景，并對可能的典型業(yè)務(wù)進(jìn)行了介紹。