毫米波：5G mmWave频谱详细解读

电子工程世界 2020-05-21 00:00

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毫米波依靠超高的mmWave频率的速度和容量为5G应用提供超强动力。

毫米波5G，也被称为mmWave——是下一代移动应用基础。我们将解释它是什么，以及在需要高容量、低延迟网络的地区，它将如何影响5G网络。

下一代5G网络不仅将在大范围内提供无处不在的可靠覆盖，还将能够为关键任务应用、大规模物联网部署和全新业务运营提供动力，所有这些都需要快速、高容量、超低延迟的连接。

为了实现这一目标，移动运营商需要使用比前几代移动技术更广泛的频谱。和低频段和中频段混合的4G网络一样，5G网络也是如此。

至关重要的是，频谱是一种有限的资源。随着世界各国政府和监管机构认识到5G网络的潜在经济和社会效益，各方已共同努力释放尽可能多的频谱。

目前人们开始注意以前被认为不适合移动网络的波段，包括高范围毫米波(mmWave)。

早在移动通信的重要性被认识到之前，许多毫米波频段就分配给了其他用户群体，如军事或公共活动行业，因此毫米波频谱具有很高的溢价。

什么是毫米波频谱?

尽管低频段700MHz可能有助于将5G传播到农村地区，但它不适合在繁忙的城市地区提供所需的可靠连接。

高频段在有限的地理区域内提供了巨大的容量。所以mmWave在5G推广中的关键是在人口密集的城市地区，那里需要高容量——换句话说，那里有很多设备。

然而，mmWave也并非没有挑战。首先，这些信号不会走得那么远。mmWave之前一直被移动设备所排斥，因为它的短距离和窄波长很容易受到大气条件的影响。一种被称为“降雨减弱”的效应，因为降雨吸收无线电信号并造成干扰。

从技术上讲，mmWave指的是微波和红外线之间的频率，在24GHz到300GHz之间。这些电波目前被用于科学研究，武器系统，甚至警察的测速枪。

人们认为26GHz - 100MHz频段是移动网络的最大机遇。

然而，正是先前不受欢迎的mmWave特性使得它非常适合5G。

这是因为它依赖于微基础设施的使用，比如分布在密集城市位置的小单元。这一点，加上高频段频率将是5G网络的关键特征。

因此，mmWave只需要在有限的范围内使用，而短波长可以最大限度地减少来自其他蜂窝数据的干扰，从而提高频谱的效率。

mmWave频谱比目前的4G技术使用更高的频率。

价值潜力

由联合国下属的国际电信联盟组织的四年一次的监管机构和政府会议——2019年世界无线电通信大会(WRC-19)，与会代表确定了若干个可用于5G网络的mmWave频段。其中包括24.25-27.5 GHz、37-43.5 GHz、45.5-47 GHz、47.2-48.2和66-71 GHz。

对这些波段的正式识别，为全球统一、测试和标准化铺平了道路——降低了成本，缩短了上市时间。这些协定还确保对邻近波段的频谱用户，例如气象服务，实行保障措施。

mmWave频谱的高容量和超快速度将使许多5G应用不太适合低频段。虽然预计大多数商业5G网络将至少提供1Gbps，但是mmWave理论的最大值传输值是10Gbps。

GSMA预计，未来15年全球将有5650亿美元的GDP和1520亿美元的税收来自mmWave 5G服务。这相当于该时期所有5G网络预计经济价值的四分之一。

mmWave 5G拍卖

每个国家都有自己的分配频谱给那些希望在这些频段上运营的公司的方式。在美国3月5日举行的最后一轮毫米波拍卖会上，37千兆赫、39千兆赫和47千兆赫频段被拍卖。总销售额达到了75.58亿美元，几乎是之前两次mmWave拍卖的总和的三倍，24GHz频段的总销售额为20亿美元，28GHz频段的总销售额为7亿美元。威瑞森和美国电话电报公司(AT&T)占据了最大的市场份额，共花费30亿美元，获得了数千个新的mmWave许可证。

尽管出现了疫情大流行，各国仍在推进各自的计划，将mmWave频谱分配给出价最高的国家。例如，芬兰电信监管机构Traficom已经宣布，它计划在5月份继续拍卖5G频谱。

此次拍卖将包括3张26GHz频段的牌照，每张牌照提供覆盖整个芬兰大陆的800MHz频段，起拍价为700万欧元。注册必须在2020年5月20日前提交给芬兰交通和通信机构Traficom，获胜者可以在7月1日开始网络建设。

固定无线接入

最早使用5G毫米波的例子是固定无线接入(FWA)[1]宽带。 4G驱动的FWA的速度、可靠性和固定连接的体验往往无法与之相比。数据上限也是一个巨大的障碍，尤其是当你考虑到家庭宽带用户比移动用户消耗更多的数据。

Ovum表示，目前英国家庭平均每月消费190GB，到2023年，由于视频流服务、在线游戏和其他应用程序的普及，这一数字将增加到516GB。5G不受4G的限制，可以帮助满足这一需求。

商用5G FWA网络使用mmWave频谱的试验已经达到了1-3Gbps，而分析人士认为，在真实世界环境下，80 - 100mbps的一致性速度是可以达到的。在美国，AT&T和Verizon都在美国主要城市提供5G FWA，为只有一家固定电缆供应商的地区提供了一个现实的选择。

尽管如此，英国目前有三家公司在伦敦市中心提供5G FWA网络，而政府则希望在英国一些地区提供最低标准的宽带网络，因为在这些地区，光纤的商业化推广在经济上并不可行。

对工业和社会进行新一轮变革

mmWave 5G在工业领域的使用案例非常强大，该技术能够在世界任何地方提供可靠、高性能的连接。智能端口技术是5G最发达的工业应用之一，有望通过机器的自动化和远程操作来提高效率和降低成本。物流、矿业和其他行业也将通过流程的数字化和劳动力生产率的提高而转型。

社会将受益于智能城市的应用，如交通，医疗保健的提供和基本服务的获取也将发生革命性的变化。虚拟培训将帮助工作人员改进，同时专家也可以远程协助诊断和治疗。这意味着位置将不再是护理的障碍。

教育也是如此。远程学习将成为一种可能，这要归功于利用远程会议、虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术的交互式课程。

mmWave和无线回程

受益于mmWave频谱的不仅仅是终端用户应用程序——移动网络本身也将变得更加高效。移动运营商计划将mmWave频谱用于无线回程，它是移动基站和核心网络之间的连接。

传统的回程依赖于高质量的固定连接，这在农村地区可能不存在。在农村地区的网络建设方面，无线回程提供了更大的灵活性和成本效率，而对于由小单元和其他微基础设施组成的密集的5G网络来说，这将是必不可少的。

测试表明，在延迟、可靠性和速度方面，mmWave频谱可以提供“类似光纤”的性能，40Gbps传输是现实可性的。

发展状况

如上所述，美国的运营商已经在使用mmWave频率为他们的FWA服务供电。然而，由于缺乏已发布的频谱和兼容设备，想完全实现全部功能还需要时间。

尽管国际电信联盟在全球范围内分配了波段，但发放这些波段牌照的过程是由各国政府和监管机构决定的。例如，英国监管机构Ofcom仍在研究26GHz的战略。

还有标准化的问题。目前的5G网络使用的是一种名为Release-15 (R15)的早期标准技术，该技术建立在现有4G基础设施的基础之上。

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。

毫米波对中国未来5G发展影响深远

WRC-19对于5G毫米波频谱的划分具有重要意义。此次来自190多个国家的3000名代表讨论了无线电规则文件，所有签署的国家都需要按照这个规则进行频谱分配，该规则将决定全球今后4~5年频谱的规划和使用方案。从以往的经验来看，一个新的频谱从ITU层面划分到真正的商用需要7~10年。因此WRC的决定对于全球频谱划分具有重要意义，如2007年WRC大会上划分的频谱，后来成为3G、4G频谱划分和使用的基础。

在亚太地区，GSMA预计中国的影响力将会特别大，将在5G毫米波所带来的2120亿美元的亚太地区GDP增长额中贡献53%，特别在制造业和公用事业行业方面。WRC-19讨论了24GHz~86GHz频谱的划分，这些频段会带来5G高带宽、高速率方面的应用。

5G对产业来说所需要的频谱十分多样，不同的应用，不同的场景，对频谱的需求也不一样。高带宽、高速率的应用需要毫米波频谱。5G毫米波有望继续加强中国的数字基础设施，尤其是考虑到其全面展开的经济转型进程，为创新型驱动的经济创造新动能。5G加上毫米波频谱可帮助释放低时延、数据密集型应用的潜力，这些应用可以为各种行业和用例带来变革。

我国毫米波研究不断加速

毫米波频谱确定后，我国也将开启深入的研发和测试工作。

我国IMT-2020（5G）推进组此前就表示，未来的工作重点将聚焦毫米波领域。IMT-2020（5G）推进组试验工作组组长徐菲在2019PT展上讲解了我国毫米波技术试验的主要目标。分别是：研究验证5G毫米波关键技术和主要特性，制定26GHz频段的5G设备功能和性能指标要求，指导5G毫米波基站、核心器件和终端的研发；研究5G毫米波测试技术，制定系列测试规范，开发毫米波射频、功能和性能测试系统，构建支持SA和NSA的毫米波试验网络环境，支撑5G毫米波端到端的完整的测试验证；加强协作，在实际典型场景开展小规模应用试验和示范，探索5G毫米波的应用场景和部署策略。

未来，推进组还将分阶段推进5G毫米波试验：2019年8—12月，验证5G毫米波关键技术和系统特性；2020年验证毫米波基站和终端的功能、性能和互操作，开展高低频协同组网验证；；2020-2021年，开展典型场景验证。推进组还将重点面向毫米波设备和组网测试以及小规模应用试验和示范，积极推进毫米波基站、芯片、射频模组的开发和优化，研究毫米波的适用场景，探索毫米波和工业领域的融合应用。

运营商也开展了紧锣密鼓的毫米波研发工作。据一位业内专家表示，目前有运营商已完成5G毫米波关键技术验证，2019—2020年间正在进行5G毫米波系统性能及标准方案验证，计划在2022年实现5G毫米波商用部署。不过在元器件方面，产业链还有待发展，再就是毫米波的应用场景目前还处在探索和研究中。

产业链也已经开始了密切的毫米波研究工作。华为、中兴和诺基亚贝尔完成了毫米波关键技术测试的主要功能、射频和外场性能测试，实现了毫米波的主要关键技术，开展了毫米波辐射射频测试，支撑了我国毫米波规划工作，后续进一步完善和优化毫米波设备的性能指标。海思、高通进行了5G毫米波关键技术的室内功能测试。

翻译自——5gradar

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