5G 基于毫米波通信应用前景研究*

杨 堃

（柳州市第一职业技术学校，广西 柳州 545616）

1 毫米波是什么

近十年，随着通信的迅猛发展，毫米波这个名词逐渐走进大家视野。毫米波通常指频段在30～300GHz，相应波长为1～10mm 的电磁波，工作频率介于微波与远红外波之间，兼有两种波谱的特点，将接近的24GHz 或以上频段也定义为毫米波的范围，在5G 移动通信、物联网和雷达、卫星通信等领域具有很广阔的应用前景。而目前主要受关注的为28-30GHz，38GHz，45GHz，57-71GHz，71-76GHz，81-86GHz，100GHz 等频段。5G 通信中的毫米波通信是指扩展频段主要在24GHz～200GHz 频率，也就是高频频段FR2 传输，0Hz～6GHz 也是俗称的FR1。

2 毫米波的特点

与光波相比，毫米波利用大气窗口（毫米波与亚毫米波在大气中传播时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率）传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小，相对于低频频段，毫米波还具有带宽宽、波束窄、传输干扰小、安全保密好、多径效应小、多普勒分辨力高，以及器件尺寸小易集成等特点。

2.1 极宽的带宽

通常认为毫米波频率范围为大约在24GHz～300GHz，带宽高达273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收，在大气中传播时只能使用四个主要窗口，但这四个窗口的总带宽也可达135GHz，为微波以下各波段带宽之和的5 倍。这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。

2.2 波束窄

在相同天线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标或者更为清晰地观察目标的细节。

2.3 受环境影响小

与激光相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全天候特性。

2.4 设备微型化

和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小型化。

但也存在以下不足：（1）大气中传播衰减严重。（2）器件加工精度要求高。

3 毫米波在5G 通信的应用

从无线通信的发展来看，1G-3G 基本都在Sub3G 以下频段通信，4G 网络主要部署在C-bank（3G-6G 频段）区间，这个频段既兼顾了绕射、覆盖范围又兼顾信号衰减等因数，也考虑到频率与传输距离的固有关系，很多人认为5G 通信部署在FR1（Sub3G 和C-bank）区间内，退而求其次才部署在毫米波波段。但这个观点太片面，毫米波虽有先天不足，但它也拥有大带宽、频谱丰富的优势，针对不足将会有新技术弥补毫米波的先天不足。从2G 到4G，移动通信都被部署在6GHz 以下的中低频段。这个频段因为波长比较长，它的穿透力和覆盖范围都很优秀，所以也被称为移动通信的黄金频段。但是在这个频段里，除了有手机运营商在用，还有其他很多的业务也都集在这里，非常的拥挤。所以到了5G 时代，除了要继续“榨干”6GHz 以下频段之外，还往上开辟了一块无比宽广的新大陆，波长在1 到10mm 之间的毫米波频段，也称之为5G的扩展频段。6GHz 以下中低频和毫米波高频对于5G 频谱资源来说，都是不可或缺的。因为既要兼顾覆盖、绕射又要兼顾带宽、频谱。比如8KVR、自动驾驶、演唱会现场连接、智能制造等典型的5G 应用场景都必须依靠毫米波的大带宽、低时延、高容量和大连接数的特性才能更好地实现，那么毫米波将是一个不错的选择。那么既然毫米波这么好，为什么到现在还没用上呢？因为它不好做，基站和手机之间的通信，就像是两个人隔空喊话，隔得近，声音就清晰，辨识度越强。距离越远，声音就越弱，辨识度也就越低。这种只因距离增加而衰减的特性，就像是电磁波里的路径损耗，在自由空间里，频率越高，路径损耗就越大。毫米波因为它工作时有很高的频率，所以它的传播距离会比中低频段要短。这个时候就要想到一个关键技术——波速成形技术。在2G 和3G 时代的基站就像是一个大喇叭。无差别地向四面八方发射信号，距离太远听不清怎么办？只能大点声。也就是加大发射功率，但是功率是不能无限加大的，于是有的工程师掏出了“传声筒”，直接把声波运输到一个很窄的方向，近乎点对点的传递，这就是波速成形。它的优势是显而易见的，首先声音可以传的更远更清晰，大大降低了路径损耗，这样小声说话也可以听得见，并节约了发射功率，而且还不用担心旁边的路人偷听，即降低了同信道用户之间的干扰。但是一但拉进到现实环境里，同样存在问题，首先，现实环境它不像自由空间，现实里会有各种各样的障碍物，而毫米波波长很短，比中低频段更容易受到阻挡，当人走到障碍物后面，引发了非视距通信，就算用上传声筒，信号也过不来，怎么办呢？这时可以利用建筑物的反射来让传声筒转弯，或者是直接无缝切换到新的基站，利用波束追踪、波束导向、波束切换等技术，无论环境多么复杂、人怎么移动，基站和终端之间，都可以相互配合完成波束扫描配对后选择一条最优的路径用来通信。在移动设备上用毫米波通信，曾经被许多人认为是绝对不可能实现的，而在今天，市面上已经有很多一线厂商推出了支持毫米波的商用智能手机。从今年Speedtest 的相关数据可以看到，今年全球手机平均下行速率只有35Mbps 左右。而在已经部署了毫米波的地区，搭载骁龙5G 毫米波解决方案的手机，平均下行速率是900Mbps，峰值速率则达到了2Gbps。除了手机之外，骁龙5G 毫米波解决方案还正在支持一大批CPE5G 模组，甚至是PC 进入我们的生活，可以预见的是5G 已经采用很多新技术成功克服覆盖范围问题，非尺具通信等几大致命问题被解决之后，毫米波已经离我们不远了。

4 5G 在SUB6G 和毫米波应用上各有千秋

在5G 发展的初步阶段，运营商为了控制好成本，在4G 基站较为成熟的地方，为了降低成本一般会采用NSA的方式来组网，这时往往使用中低频段（SUB6G）来进行通信，而在4G 基站较为薄弱的地方会采用SA 方式来组网。另外对比Sub-6G，毫米波频资源丰富，有大量的毫米波网络带宽能用，载波通信网络带宽达到400MHz/800MHz，不但提升了数据信息传输速率，还防止了低频段存有的拥挤，无线网络传输速度达到10Gbps 之上，其次，波长较短的毫米波会造成窄小的波束，进而为传输数据出示高的空间辨别能力和安全系数，且速度更快、信息量大，延迟小。毫米波电子器件的规格小，相对于Sub-6GHz 设备，更易微型化；还有就是子载波通间距较大，单SLOT 周期（120KHz）是低频Sub-6GHz（30KHz）的1/4，空口延迟减少。毫米波波长短、天线阵面小、容积比较有限，对芯片的功耗及整个设备热管散热设计方案明确提出很高的规定，对芯片设计也明确提出了新要求。未来毫米波系统能够覆盖展览馆及办公场所，也可运用于户外热点覆盖、无线网络宽带接入等，能够与Sub-6G 合作构成双连接异构网络，完成大空间和覆盖面的有机结合，未来市场空间极大。

5 通信频段必然向毫米波方向延伸

随着高容量、高速率、低时延业务发展，通信频段必然向毫米波方向延伸；5G 移动通信的基本架构将采用低频段+毫米波频段相结合的通信方式；5G 毫米波通信主要应用场景解决热点流量问题，毫米波基站体积更小，便于隐蔽安装；适合光纤不易接入或成本过高的地区，采用CPE 终端挂墙或靠窗安装；毫米波与MEC、AI 技术结合，适合于园区组网方案；构建智慧工厂、智慧园区、智慧码头等控制类智慧应用。

6 5G 的发展必然向毫米波延伸

5G 毫米波的应用将开启5G 发展的新阶段，有望释放出5G 的全部潜能。5G 毫米波市场前景广阔，具备多项优势，能否实现5G 最初的全部承诺，达成5G 最初的全部愿景，是5G 成功与否的关键所在。随着高容量、高速率、低时延业务发展，通信频段必然向毫米波方向延伸，5G 移动通信的基本架构将采用低频段+毫米波频段相结合的通信方式。毫米波的频谱资源比较丰富，可以从过去的100MHz 到现在的800MHz，无线传输速率可能达到10Gbit/s，可以为5G 发展提供很好的发展空间和能力。5G 毫米波使用更高的频率，实现更快的速率，具备更大的系统容量和更强的业务能力，能够帮助5G 真正实现最初的承诺，达成5G 最初的愿景。5G 毫米波当仁不让地成为了5G 重点部署的关键技术。GSMA 数据显示，5G 毫米波预计将在2035 年之前为全球GDP 带来5650 亿美元的贡献，占5G 总贡献的25%。5G 毫米波和中低频的Sub-6GHz 互相配合、互相补充，是实现5G 完整和最优用户体验的关键。从5G 毫米波全球频谱分配及商用情况来看，截至2020 年6 月，17 个国家和地区的79 个运营商已经拥有了在24.25～29.5GHz 部署5G 毫米波的频率许可，42 个国家/地区的127 个运营商在该频段范围内以试验、许可证、部署或运营网络的形式进行了5G 投资，全球共有84 个已发布的5G 设备明确支持或将支持5G 毫米波频段。5G 毫米波带宽资源丰富，不仅能够提供极大网络容量，提高网络速率，将网络延时降低到前所未有的水平，还能为整个5G 生态系统提供动力，并实现5G承诺的赋能垂直行业应用。

7 射频市场的发展必然向毫米波延伸

在未来的4-5 年里，基站建设市场呈爆炸式增长，与4G 相比，射频器件市场采用多输入多输出技术的5G M-MIMO 宏站有望实现3-4 倍的增长，5G 毫米波也将有8 倍左右的市场增长；市场总量预计从2018 年低谷（14.8亿美元）到2024 年高峰的31.6 亿美元，复合增长率约为13%；而业务构成来看，来自于5G M-MIMO 宏站、5G 毫米波合计贡献将超过50%。随着5G 建设的推进，Sub-6 GHz 无线基础设施开始部署，以弥补现有4G LTE 网络与未来毫米波（mmW）5G 实施方案之间的带宽差距，5G毫米波定位为高价值热点区域的覆盖解决方案，作为Sub-6GHz 5G 广覆盖网络的补充，预计部署数量将从2018 年的3.8 万台增加至2024 年的140 万个，其中主要应用为24-27GHz 与27.5-29.5GHz 频段。

综上所述，毫米波不仅不是人们通常认为的通信禁区，它还有很多先天通信优势，但毫米波的通信也需要很多新硬件、新技术的支撑，比如：毫米波射频器件、毫米波天线、超宽带低复杂度信号处理、空间信道模型以及网络组网架构和空口的优化、空口与高频段组合技术。但有一些不足，现在人们已经针对它的不足开发出新的技术来进行弥补，这样毫米波便可以扬长避短，发挥出在低频频率通信中没有的特性，使得毫米波通信具有自己独特的优势。目前有关毫米波的具体商用时间轴的规划尚未正式发布，缺乏明确的顶层商用时间规划，产业链的成熟度较低也制约着产业发展。国内5G 毫米波产业链上游的元器件研发与制造仍处于研发试点阶段，受技术实现和生产成本及基础设施建设进度的限制，尚未到达商用量产。在频谱资源越来越紧缺的情况下，开发出在卫星和雷达军用系统上常使用的毫米波频谱资源成为了第五代移动通信技术的重点，因毫米波段拥有巨大的频谱资源开发空间。

8 结束语

目前Sub3G 基本被2G、3G、4G 部署完毕，可用的频谱资源相对有限，待2G、3G、4G 退网以后会有部分低频频谱部署5G 使用。结合绕射、带宽、覆盖和功耗等要求，5G 将会在各个不同场合使用不同的频谱，发挥出各自的优势。相信在不久的将来，我们将开发出更多关于毫米波的新技术克服它的不足，把毫米波的优点用到极致。