5G毫米波技术与应用场景浅析

徐霞艳

（中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

5G标准在统一的设计框架下支持中低频段和毫米波频段，实现了全频谱接入的关键技术创新。近年来，5G毫米波也已在美国、日本等国商用，技术上的优势与不足在应用中逐渐明晰。依托中低频段，我国5G网络建设与应用发展均取得了领先优势。面向5G中长期发展，毫米波以其大带宽、高速率、低时延、灵活部署等技术优势，将有望成为5G发展下半场的关键使能技术之一。

1 5G毫米波技术特点

1.1 5G毫米波技术与标准概况

在3GPP R15/R16版本国际标准中，5G毫米波指24.25 GHz至52.6 GHz频率范围；3GPP R17版本正在开展更高频率（52.6 GH至71 GHz）毫米波的标准化。我国重点关注的是频率较低、产业基础较好的26 GHz频段（24.25～27.5 GHz）[1]。在无线传输技术上，5G标准采用了多项适合毫米波的系统设计，如更大的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）子载波间隔（120 kHz）、更大的载波带宽（200 MHz或400 MHz）、基于波束的信道传输等，充分发挥毫米波技术特点并简化产品实现。随5G标准版本的演进，毫米波无线传输技术也在不断增强。在组网方式上，5G毫米波支持灵活的部署方式，既可与中低频基于载波聚合或双连接技术协同组网，毫米波也可以单独部署组网。在产业实现上，5G毫米波采用数字模拟混合波束赋形的系统架构，以及天线阵和射频前端高度集成的硬件方案，首次实现了毫米波技术在蜂窝移动通信领域的应用。

1.2 5G毫米波的技术特点

1.2.1 5G毫米波带宽大、速率高

从频谱资源来看，当前5G中低频段的可用频谱在几百兆赫兹左右；而毫米波仅26 GHz频段即可提供3GHz左右的频谱。参考国际上毫米波频率许可情况，一家电信运营商有望获得600至800 MHz毫米波频率资源。毫米波带宽大的特点非常突出。

从用户峰值速率来看，5G中频段商用系统采用100 MHz载波带宽，用户下行峰值速率在1.5 Gbps左右，上行峰值速率在250 Mbps或380 Mbps左右（取决于帧结构）[2]。面向我国需求，2021年起主要网络设备、终端芯片厂家的26 GHz频段毫米波设备已陆续支持200 MHz载波带宽，其中基站支持800 MHz（4个200 MHz的载波）的载波聚合，终端芯片下行、上行分别支持800 MHz、400 MHz（2个200 MHz的载波）的载波聚合。根据2021年我国IMT—2020（5G）推进组开展的5G毫米波技术试验实测数据，毫米波用户下行峰值速率可达6.8 Gbps（采用3D1U帧结构，即DDDSU），上行峰值速率可达2.0 Gbps（采用1D3U帧结构，即DSUUU），相当于5G中频段用户峰值速率的4倍以上，毫米波用户速率高的特点也非常突出。

毫米波基站还可采用大规模天线技术实现多用户MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出），以提高小区容量。如4发4收（4T4R）规格的基站可同时与2个用户通信，每用户通过双流MIMO传输均可达到用户峰值速率。

图1 5G毫米波的用户峰值速率

1.2.2 5G毫米波传输时延低

目前我国5G中频段（2.6 GHz/3.5 GHz等频段）商用网络采用30 kHz子载波间隔与较长的上/下行时隙转换周期（5 ms或2.5 ms），决定了空口的传输时延较长。即使再采用上行免调度传输、短时隙（mini-slot）调度等面向URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，超高可靠低时延通信）场景的低时延增强技术[3]，5G中频段商用网络的空口传输时延也无法显著降低。

而5G毫米波采用120 kHz子载波间隔，OFDM符号长度短，一时隙长度只有0.125 ms；如采用3D1U（DDDSU）或1D3U（DSUUU）帧结构，上/下行时隙转换周期只有0.625 ms，有利于降低空口传输时延。经实测，5G毫米波空口单向传输时延可低至1～1.5 ms。因此毫米波具有明显的低时延优势。

面向工业机器人控制等应用极低时延、超高可靠性的通信需求，5G毫米波还可以采用面向URLLC的低时延、高可靠增强技术。为进一步降低时延，可考虑采用上/下行时隙转换周期更短的帧结构（如DS帧结构，周期仅为0.25 ms），再结合上行免调度传输等增强技术。为进一步提高传输可靠性，可考虑采用低码率CQI/MCS表格、高聚合等级PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）等增强技术，保障低信噪比条件下的高可靠传输[3]。利用这些增强技术，5G毫米波有望在高可靠传输的前提下实现毫秒级的空口时延。根据实测数据，采用上/下行时隙转换周期为0.25 ms的帧结构，并结合部分URLLC增强技术，5G毫米波可在满足99.999%的传输可靠性下，实现1.5 ms以内的双向端到端时延。

1.2.3 5G毫米波信号传播路径损耗与穿透损耗大

根据无线电波传播规律，与中低频相比，5G毫米波信号传播路径损耗大、穿透损耗大、衍射绕射困难，在信号覆盖能力上存在不足。基于5G毫米波的传播特性，5G毫米波较适合于终端静止或中低速移动的区域性覆盖，不适合于大规模连续覆盖和高速移动场景；并且5G毫米波较适合于视距无遮挡场景（如室外或室内视距、室外富反射场景）和近似视距低穿透场景（如室外浅层植被穿透、室内普通玻璃穿透），难以覆盖室外建筑物阻挡、室内高穿透损耗等场景。在具体环境上，5G毫米波适合于城区干道、大型交通枢纽和机场、体育场馆、展览馆、开阔办公区等较空旷或反射径丰富的场景。

1.2.4 5G毫米波部署灵活

正由于具有上述无线信号传播特性，5G毫米波特别适合于体育场馆、展览馆、厂房等较封闭的单点场景，可根据具体业务需求灵活进行部署和配置。

一是可以灵活选择5G毫米波组网方式，包括毫米波单独部署组网或毫米波与中低频协同组网。毫米波单独部署组网指毫米波完全独立运行，其部署较简单，但由于没有中低频提供基础覆盖，比较适合于无线环境较简单、终端基本静止或小区域内移动的部分行业应用场景。而毫米波与中低频协同组网可以发挥中低频连续覆盖和毫米波大带宽、低时延特点，实现优势互补。

二是可以灵活选择5G毫米波的频率带宽、帧结构等系统配置。根据可用频率资源和具体场景的业务量需求，以基本的载波带宽（200 MHz）为基础，可灵活选择1个、2个或4个等载波数目，通过载波聚合技术实现200 MHz、400 MHz或800 MHz等不同的系统带宽。5G毫米波采用时分双工（TDD）方式，上行、下行时隙的配置比例直接影响上行、下行的用户峰值速率和容量，可根据具体场景对上行、下行速率与容量的需求灵活配置帧结构。如面向公众用户的室内外热点场景中，以移动视频等下行业务为主，可采用下行资源为主的3D1U（DDDSU）帧结构；而面向垂直行业的工业视觉、8K视频回传等超大上行业务场景中，可选择上行资源为主的1D3U（DSUUU）帧结构。从实现上看，毫米波单站覆盖距离较小、穿透损耗大，具备根据局部区域业务特点灵活设置帧结构的技术可行性。

三是可以灵活选择不同类型、不同规格的毫米波基站，适配不同场景的部署需求。如室外热点以提供大容量为主要目标，可选择数字通道多（4T4R甚至8T8R）、天线阵列规模大、发射功率高的宏站；而厂房等室内场景需考虑部署空间等条件限制，可选择通道较少（如2T2R）、天线阵列规模较小、发射功率也较低的微站或分布式皮站，以降低设备的体积、质量，提高部署的便利性。

2 5G毫米波典型应用场景

由于具备上述技术特性，5G毫米波的典型应用场景将主要包括室内外热点区域覆盖、大上行应用和以工业互联网为代表的行业应用等几类。不同场景在组网方式、设备形态与技术等方面的要求也有区别。

2.1 室内外热点区域覆盖

面向ToC市场，室内外热点将是毫米波主要应用场景，包括购物街区、室外广场等室外高业务量区域，以及大型体育馆、机场、交通枢纽等室内高业务量区域。这些场景中人群密集、高峰时段对业务量需求极大。从无线信号传播看，这些区域环境比较空旷，遮挡较少，有利于规避毫米波信号传播路径损耗与穿透损耗大的劣势。充分发挥毫米波带宽大、速率高的优势，将可以实现360°观赛、4K超高清互动点播、云AR/VR等极致带宽业务。

面向室内外热点区域覆盖，适宜采用5G毫米波与中低频协同组网方式。在毫米波基站方面，可采用宏站、微站、分布式皮站等多种形态的设备以适应不同部署场景需求，对室内部署场景基站设备应实现小型化。在终端方面，支持4G/5G高低频的多模多频智能手机将是主要形态，未来还会出现AR/VR头盔等形态。在当前5G毫米波产业实现基础上，应进一步丰富基站的设备形态实现系列化，在技术发展方向上应加强多用户MIMO、多用户调度等特性的研发，进一步提升毫米波的带宽与容量优势。

2.2 大上行应用

部分5G行业应用的特点是以上行业务为主。如在8K超高清视频直播无线回传中，8K摄像机拍摄的视频信号经编码器压缩后，仍高达数百兆比特每秒。在工业视觉应用中每台设备需要100～400 Mbps上行速率，一个小区内多台设备则可能需要超过2 Gbps的上行速率。5G中频段（2.6/3.5 GHz频段）主要面向增强移动宽带场景，以满足下行业务为主，上行能力相对不足，无法满足这类上行超大带宽业务的需求。而毫米波如用户上行采用400 MHz带宽，再结合上行资源为主的1D3U（DSUUU）帧结构，即可提供2 Gbps左右的用户上行峰值速率，可以满足这类应用的上行超大带宽需求。

面向大上行应用，可根据部署场景灵活选择5G毫米波单独部署组网或5G毫米波与中低频协同组网方式。在终端方面，考虑满足大上行速率要求并提供足够的覆盖距离，应重点发展CPE、行业模组等形态，建议终端支持较高的发射功率。在技术发展方向上，应加强对终端上行支持更大带宽（400 MHz以上）、更高速率等特性的研发工作。

2.3 以工业互联网为代表的行业应用

发挥大带宽、低时延、高可靠特性，5G毫米波可使能以工业互联网为代表的行业应用，典型应用如移动视频监控、AGV（Automated Guided Vehicle，自动导引运输车）、协作机器人生产线控制、移动机器人、实时人机协作等。

5G毫米波适合部署在相对空旷、无遮挡或少遮挡的厂房或园区环境。毫米波可以单独部署组网，必要时也可与中低频协同组网。5G毫米波基站应小巧易部署，适应行业应用场景中对设备体积、质量和功耗等指标的严格要求，在特定行业应用场景下基站还应满足高温高湿等特殊工作环境要求。终端可采用定制化CPE（用户终端设备）、行业定制终端或模组等不同形态。在技术发展方向上，为满足部分行业场景极低时延、超高可靠性的通信需求，5G毫米波在大带宽基础上，应考虑结合URLLC增强技术，必要时还可采用基于多点协助传输的URLLC增强方案，通过信息的冗余传输来提升传输可靠性[3]。

3 结束语

展望未来，5G毫米波技术与标准将不断增强演进，基站与终端等产品的功能将不断完善、性能将不断提升。为实现5G毫米波的成功商用，业界还需持续推动大带宽、灵活帧结构、多用户调度与多用户MIMO等关键技术研发，丰富毫米波基站、终端的产品系列，积极探索毫米波与URLLC等增强技术的结合，拓展毫米波的应用场景，为5G毫米波的广泛应用打下坚实基础。