楊 堃

（柳州市第一職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣西 柳州 545616）

1 毫米波是什么

近十年，隨著通信的迅猛發(fā)展，毫米波這個(gè)名詞逐漸走進(jìn)大家視野。毫米波通常指頻段在30～300GHz，相應(yīng)波長(zhǎng)為1～10mm 的電磁波，工作頻率介于微波與遠(yuǎn)紅外波之間，兼有兩種波譜的特點(diǎn)，將接近的24GHz 或以上頻段也定義為毫米波的范圍，在5G 移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)和雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域具有很廣闊的應(yīng)用前景。而目前主要受關(guān)注的為28-30GHz，38GHz，45GHz，57-71GHz，71-76GHz，81-86GHz，100GHz 等頻段。5G 通信中的毫米波通信是指擴(kuò)展頻段主要在24GHz～200GHz 頻率，也就是高頻頻段FR2 傳輸，0Hz～6GHz 也是俗稱的FR1。

2 毫米波的特點(diǎn)

與光波相比，毫米波利用大氣窗口（毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時(shí)，由于氣體分子諧振吸收所致的某些衰減為極小值的頻率）傳播時(shí)的衰減小，受自然光和熱輻射源影響小，相對(duì)于低頻頻段，毫米波還具有帶寬寬、波束窄、傳輸干擾小、安全保密好、多徑效應(yīng)小、多普勒分辨力高，以及器件尺寸小易集成等特點(diǎn)。

2.1 極寬的帶寬

通常認(rèn)為毫米波頻率范圍為大約在24GHz～300GHz，帶寬高達(dá)273.5GHz。超過從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時(shí)只能使用四個(gè)主要窗口，但這四個(gè)窗口的總帶寬也可達(dá)135GHz，為微波以下各波段帶寬之和的5 倍。這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。

2.2 波束窄

在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。因此可以分辨相距更近的小目標(biāo)或者更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。

2.3 受環(huán)境影響小

與激光相比，毫米波的傳播受氣候的影響要小得多，可以認(rèn)為具有全天候特性。

2.4 設(shè)備微型化

和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統(tǒng)更容易小型化。

但也存在以下不足：（1）大氣中傳播衰減嚴(yán)重。（2）器件加工精度要求高。

3 毫米波在5G 通信的應(yīng)用

從無線通信的發(fā)展來看，1G-3G 基本都在Sub3G 以下頻段通信，4G 網(wǎng)絡(luò)主要部署在C-bank（3G-6G 頻段）區(qū)間，這個(gè)頻段既兼顧了繞射、覆蓋范圍又兼顧信號(hào)衰減等因數(shù)，也考慮到頻率與傳輸距離的固有關(guān)系，很多人認(rèn)為5G 通信部署在FR1（Sub3G 和C-bank）區(qū)間內(nèi)，退而求其次才部署在毫米波波段。但這個(gè)觀點(diǎn)太片面，毫米波雖有先天不足，但它也擁有大帶寬、頻譜豐富的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)不足將會(huì)有新技術(shù)彌補(bǔ)毫米波的先天不足。從2G 到4G，移動(dòng)通信都被部署在6GHz 以下的中低頻段。這個(gè)頻段因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)比較長(zhǎng)，它的穿透力和覆蓋范圍都很優(yōu)秀，所以也被稱為移動(dòng)通信的黃金頻段。但是在這個(gè)頻段里，除了有手機(jī)運(yùn)營(yíng)商在用，還有其他很多的業(yè)務(wù)也都集在這里，非常的擁擠。所以到了5G 時(shí)代，除了要繼續(xù)“榨干”6GHz 以下頻段之外，還往上開辟了一塊無比寬廣的新大陸，波長(zhǎng)在1 到10mm 之間的毫米波頻段，也稱之為5G的擴(kuò)展頻段。6GHz 以下中低頻和毫米波高頻對(duì)于5G 頻譜資源來說，都是不可或缺的。因?yàn)榧纫骖櫢采w、繞射又要兼顧帶寬、頻譜。比如8KVR、自動(dòng)駕駛、演唱會(huì)現(xiàn)場(chǎng)連接、智能制造等典型的5G 應(yīng)用場(chǎng)景都必須依靠毫米波的大帶寬、低時(shí)延、高容量和大連接數(shù)的特性才能更好地實(shí)現(xiàn)，那么毫米波將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。那么既然毫米波這么好，為什么到現(xiàn)在還沒用上呢？因?yàn)樗缓米?，基站和手機(jī)之間的通信，就像是兩個(gè)人隔空喊話，隔得近，聲音就清晰，辨識(shí)度越強(qiáng)。距離越遠(yuǎn)，聲音就越弱，辨識(shí)度也就越低。這種只因距離增加而衰減的特性，就像是電磁波里的路徑損耗，在自由空間里，頻率越高，路徑損耗就越大。毫米波因?yàn)樗ぷ鲿r(shí)有很高的頻率，所以它的傳播距離會(huì)比中低頻段要短。這個(gè)時(shí)候就要想到一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)——波速成形技術(shù)。在2G 和3G 時(shí)代的基站就像是一個(gè)大喇叭。無差別地向四面八方發(fā)射信號(hào)，距離太遠(yuǎn)聽不清怎么辦？只能大點(diǎn)聲。也就是加大發(fā)射功率，但是功率是不能無限加大的，于是有的工程師掏出了“傳聲筒”，直接把聲波運(yùn)輸?shù)揭粋€(gè)很窄的方向，近乎點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳遞，這就是波速成形。它的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，首先聲音可以傳的更遠(yuǎn)更清晰，大大降低了路徑損耗，這樣小聲說話也可以聽得見，并節(jié)約了發(fā)射功率，而且還不用擔(dān)心旁邊的路人偷聽，即降低了同信道用戶之間的干擾。但是一但拉進(jìn)到現(xiàn)實(shí)環(huán)境里，同樣存在問題，首先，現(xiàn)實(shí)環(huán)境它不像自由空間，現(xiàn)實(shí)里會(huì)有各種各樣的障礙物，而毫米波波長(zhǎng)很短，比中低頻段更容易受到阻擋，當(dāng)人走到障礙物后面，引發(fā)了非視距通信，就算用上傳聲筒，信號(hào)也過不來，怎么辦呢？這時(shí)可以利用建筑物的反射來讓傳聲筒轉(zhuǎn)彎，或者是直接無縫切換到新的基站，利用波束追蹤、波束導(dǎo)向、波束切換等技術(shù)，無論環(huán)境多么復(fù)雜、人怎么移動(dòng)，基站和終端之間，都可以相互配合完成波束掃描配對(duì)后選擇一條最優(yōu)的路徑用來通信。在移動(dòng)設(shè)備上用毫米波通信，曾經(jīng)被許多人認(rèn)為是絕對(duì)不可能實(shí)現(xiàn)的，而在今天，市面上已經(jīng)有很多一線廠商推出了支持毫米波的商用智能手機(jī)。從今年Speedtest 的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看到，今年全球手機(jī)平均下行速率只有35Mbps 左右。而在已經(jīng)部署了毫米波的地區(qū)，搭載驍龍5G 毫米波解決方案的手機(jī)，平均下行速率是900Mbps，峰值速率則達(dá)到了2Gbps。除了手機(jī)之外，驍龍5G 毫米波解決方案還正在支持一大批CPE5G 模組，甚至是PC 進(jìn)入我們的生活，可以預(yù)見的是5G 已經(jīng)采用很多新技術(shù)成功克服覆蓋范圍問題，非尺具通信等幾大致命問題被解決之后，毫米波已經(jīng)離我們不遠(yuǎn)了。

4 5G 在SUB6G 和毫米波應(yīng)用上各有千秋

在5G 發(fā)展的初步階段，運(yùn)營(yíng)商為了控制好成本，在4G 基站較為成熟的地方，為了降低成本一般會(huì)采用NSA的方式來組網(wǎng)，這時(shí)往往使用中低頻段（SUB6G）來進(jìn)行通信，而在4G 基站較為薄弱的地方會(huì)采用SA 方式來組網(wǎng)。另外對(duì)比Sub-6G，毫米波頻資源豐富，有大量的毫米波網(wǎng)絡(luò)帶寬能用，載波通信網(wǎng)絡(luò)帶寬達(dá)到400MHz/800MHz，不但提升了數(shù)據(jù)信息傳輸速率，還防止了低頻段存有的擁擠，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速度達(dá)到10Gbps 之上，其次，波長(zhǎng)較短的毫米波會(huì)造成窄小的波束，進(jìn)而為傳輸數(shù)據(jù)出示高的空間辨別能力和安全系數(shù)，且速度更快、信息量大，延遲小。毫米波電子器件的規(guī)格小，相對(duì)于Sub-6GHz 設(shè)備，更易微型化；還有就是子載波通間距較大，單SLOT 周期（120KHz）是低頻Sub-6GHz（30KHz）的1/4，空口延遲減少。毫米波波長(zhǎng)短、天線陣面小、容積比較有限，對(duì)芯片的功耗及整個(gè)設(shè)備熱管散熱設(shè)計(jì)方案明確提出很高的規(guī)定，對(duì)芯片設(shè)計(jì)也明確提出了新要求。未來毫米波系統(tǒng)能夠覆蓋展覽館及辦公場(chǎng)所，也可運(yùn)用于戶外熱點(diǎn)覆蓋、無線網(wǎng)絡(luò)寬帶接入等，能夠與Sub-6G 合作構(gòu)成雙連接異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，完成大空間和覆蓋面的有機(jī)結(jié)合，未來市場(chǎng)空間極大。

5 通信頻段必然向毫米波方向延伸

隨著高容量、高速率、低時(shí)延業(yè)務(wù)發(fā)展，通信頻段必然向毫米波方向延伸；5G 移動(dòng)通信的基本架構(gòu)將采用低頻段+毫米波頻段相結(jié)合的通信方式；5G 毫米波通信主要應(yīng)用場(chǎng)景解決熱點(diǎn)流量問題，毫米波基站體積更小，便于隱蔽安裝；適合光纖不易接入或成本過高的地區(qū)，采用CPE 終端掛墻或靠窗安裝；毫米波與MEC、AI 技術(shù)結(jié)合，適合于園區(qū)組網(wǎng)方案；構(gòu)建智慧工廠、智慧園區(qū)、智慧碼頭等控制類智慧應(yīng)用。

6 5G 的發(fā)展必然向毫米波延伸

5G 毫米波的應(yīng)用將開啟5G 發(fā)展的新階段，有望釋放出5G 的全部潛能。5G 毫米波市場(chǎng)前景廣闊，具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，能否實(shí)現(xiàn)5G 最初的全部承諾，達(dá)成5G 最初的全部愿景，是5G 成功與否的關(guān)鍵所在。隨著高容量、高速率、低時(shí)延業(yè)務(wù)發(fā)展，通信頻段必然向毫米波方向延伸，5G 移動(dòng)通信的基本架構(gòu)將采用低頻段+毫米波頻段相結(jié)合的通信方式。毫米波的頻譜資源比較豐富，可以從過去的100MHz 到現(xiàn)在的800MHz，無線傳輸速率可能達(dá)到10Gbit/s，可以為5G 發(fā)展提供很好的發(fā)展空間和能力。5G 毫米波使用更高的頻率，實(shí)現(xiàn)更快的速率，具備更大的系統(tǒng)容量和更強(qiáng)的業(yè)務(wù)能力，能夠幫助5G 真正實(shí)現(xiàn)最初的承諾，達(dá)成5G 最初的愿景。5G 毫米波當(dāng)仁不讓地成為了5G 重點(diǎn)部署的關(guān)鍵技術(shù)。GSMA 數(shù)據(jù)顯示，5G 毫米波預(yù)計(jì)將在2035 年之前為全球GDP 帶來5650 億美元的貢獻(xiàn)，占5G 總貢獻(xiàn)的25%。5G 毫米波和中低頻的Sub-6GHz 互相配合、互相補(bǔ)充，是實(shí)現(xiàn)5G 完整和最優(yōu)用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵。從5G 毫米波全球頻譜分配及商用情況來看，截至2020 年6 月，17 個(gè)國(guó)家和地區(qū)的79 個(gè)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)擁有了在24.25～29.5GHz 部署5G 毫米波的頻率許可，42 個(gè)國(guó)家/地區(qū)的127 個(gè)運(yùn)營(yíng)商在該頻段范圍內(nèi)以試驗(yàn)、許可證、部署或運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行了5G 投資，全球共有84 個(gè)已發(fā)布的5G 設(shè)備明確支持或?qū)⒅С?G 毫米波頻段。5G 毫米波帶寬資源豐富，不僅能夠提供極大網(wǎng)絡(luò)容量，提高網(wǎng)絡(luò)速率，將網(wǎng)絡(luò)延時(shí)降低到前所未有的水平，還能為整個(gè)5G 生態(tài)系統(tǒng)提供動(dòng)力，并實(shí)現(xiàn)5G承諾的賦能垂直行業(yè)應(yīng)用。

7 射頻市場(chǎng)的發(fā)展必然向毫米波延伸

在未來的4-5 年里，基站建設(shè)市場(chǎng)呈爆炸式增長(zhǎng)，與4G 相比，射頻器件市場(chǎng)采用多輸入多輸出技術(shù)的5G M-MIMO 宏站有望實(shí)現(xiàn)3-4 倍的增長(zhǎng)，5G 毫米波也將有8 倍左右的市場(chǎng)增長(zhǎng)；市場(chǎng)總量預(yù)計(jì)從2018 年低谷（14.8億美元）到2024 年高峰的31.6 億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率約為13%；而業(yè)務(wù)構(gòu)成來看，來自于5G M-MIMO 宏站、5G 毫米波合計(jì)貢獻(xiàn)將超過50%。隨著5G 建設(shè)的推進(jìn)，Sub-6 GHz 無線基礎(chǔ)設(shè)施開始部署，以彌補(bǔ)現(xiàn)有4G LTE 網(wǎng)絡(luò)與未來毫米波（mmW）5G 實(shí)施方案之間的帶寬差距，5G毫米波定位為高價(jià)值熱點(diǎn)區(qū)域的覆蓋解決方案，作為Sub-6GHz 5G 廣覆蓋網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，預(yù)計(jì)部署數(shù)量將從2018 年的3.8 萬臺(tái)增加至2024 年的140 萬個(gè)，其中主要應(yīng)用為24-27GHz 與27.5-29.5GHz 頻段。

綜上所述，毫米波不僅不是人們通常認(rèn)為的通信禁區(qū)，它還有很多先天通信優(yōu)勢(shì)，但毫米波的通信也需要很多新硬件、新技術(shù)的支撐，比如：毫米波射頻器件、毫米波天線、超寬帶低復(fù)雜度信號(hào)處理、空間信道模型以及網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)和空口的優(yōu)化、空口與高頻段組合技術(shù)。但有一些不足，現(xiàn)在人們已經(jīng)針對(duì)它的不足開發(fā)出新的技術(shù)來進(jìn)行彌補(bǔ)，這樣毫米波便可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮出在低頻頻率通信中沒有的特性，使得毫米波通信具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前有關(guān)毫米波的具體商用時(shí)間軸的規(guī)劃尚未正式發(fā)布，缺乏明確的頂層商用時(shí)間規(guī)劃，產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度較低也制約著產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國(guó)內(nèi)5G 毫米波產(chǎn)業(yè)鏈上游的元器件研發(fā)與制造仍處于研發(fā)試點(diǎn)階段，受技術(shù)實(shí)現(xiàn)和生產(chǎn)成本及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度的限制，尚未到達(dá)商用量產(chǎn)。在頻譜資源越來越緊缺的情況下，開發(fā)出在衛(wèi)星和雷達(dá)軍用系統(tǒng)上常使用的毫米波頻譜資源成為了第五代移動(dòng)通信技術(shù)的重點(diǎn)，因毫米波段擁有巨大的頻譜資源開發(fā)空間。

8 結(jié)束語

目前Sub3G 基本被2G、3G、4G 部署完畢，可用的頻譜資源相對(duì)有限，待2G、3G、4G 退網(wǎng)以后會(huì)有部分低頻頻譜部署5G 使用。結(jié)合繞射、帶寬、覆蓋和功耗等要求，5G 將會(huì)在各個(gè)不同場(chǎng)合使用不同的頻譜，發(fā)揮出各自的優(yōu)勢(shì)。相信在不久的將來，我們將開發(fā)出更多關(guān)于毫米波的新技術(shù)克服它的不足，把毫米波的優(yōu)點(diǎn)用到極致。