5G路上,绕不开的毫米波

“移动通信要发展,频谱资源需先行”,这是通信产业的共识,毕竟频谱资源之于移动通信,就像土地之于房地产。

而对于5G时代,除了目前中国正在部署的Sub-6GHz频段,还有一块“宝地”,能够给用户带来区别于4G的超高速低时延的体验,那就是毫米波。毫米波到底有多火,我们可以先简单梳理一下各国关于“毫米波”的最新动向:

去年 11 月,美国率先释放并完成了三个高频频谱的拍卖工作,并宣布集中重点发展 28GHz 毫米波。韩英德等国也相继完成了高频频段的频谱拍卖,日本也将于今年 3 月分配和美韩波段一样的高频段毫米波频谱。而中国则在去年确定了高中低频段联合组网的设计方案,并完成中频段频谱的划拨,关于毫米波优先研究的规划意见也已经启动;2019 年 2 月,工信部无线电管理局发布《2019年全国无线电管理工作要点》,其中特别提到要适时发布 5G 系统部分毫米波频段频率使用规划,引导 5G 系统毫米波产业发展......

不仅各国政府如此,企业也非常重视“毫米波”:芯片巨头高通不止一次对外谈到“毫米波”的重要性;华为任正非接受央视专访时也重点提到“微波”(也就是毫米波);AT&T、Verizon、Sprint、T-Mobile 等运营商也开始大力购买高频频谱。

5G 的建设为什么如此重视“毫米波”?一些评论者用房地产来类比,高呼“毫米波就是还未开发的 5G 黄金地段”,或“毫米波是5G的‘高速公路’”。

集万众宠爱于一身,毫米波究竟是何方神圣又有何厉害之处,我们不妨用一篇文章探秘。

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要想搞清楚毫米波是什么之前,先要了解无线电频谱、频段、频率、频道之间的关系。

频谱,你可以理解为记录无线电的不同振荡幅度与不同频率而绘成的图,就像乐谱记录音乐旋律一样;频段,是指一段连续的频率范围(宽度),由于频率一般从 0MHZ~300GHZ,因此可以被分成若干个频段,可大可小(比如 30MHZ~300MHZ 频段被称为HF频段,也就是毫米波频段);频率,就是每秒振荡的次数(这个可以从物理学角度看,反映振动现象最基本的物理量就是频率);频道,可以是两个频率组成的一条通道(就像公路上根据车宽划出的4车道、6车道一样),每条通道是双向的,一条收信息,一条发信息,典型的频道是频率的组合利用。总而言之,频率是度量尺度,频谱是信号,频段、频道是信道媒介(相当于“路”)。

5G路上,绕不开的毫米波

图:无线电的波段划分(来源/百度百科)

而无线通信,不管是音频、语音、视频、还是文件(统称为“信息数据”),要想传播出去,需要把基带的数据调制到一个射频频段,才能够发射出去,这是无线通信命名的初衷。

因此,我们需要一个无线的频谱,来把这些数据经过调制搬到频谱上,才能够从天线发射出去,之后网络才能接收到。反之亦然,网络能发射信号,手机才能接收信号。

所谓毫米波(millimeter wave,简称“mmWave”),指的是波长在 1~10 毫米之间的电磁波,刚才也提到了,通常对应于 30GHz~300GHz 之间的无线电频谱,大家可以根据上边的表格看一下,它是一种频率比较高的电波。

据公开资料显示,人类对毫米波技术的涉足,可以追溯到19世纪90年代,但毫米波技术在最初的约半个世纪里仅仅活跃在实验室里;直到20 世纪60年代,毫米波才在射电天文学中开始早期应用;20世纪70年代,由于毫米波集成电路和毫米波固体器件成功实现量产,毫米波通讯随之发展;20世纪90年代,互联网、无线电通信、汽车雷达等业务量的爆发,推动了毫米波民用技术应运而生。

毫米波的优势非常明显。相对于分米波、厘米波,毫米波的频率更高,而通常电波的频率越高,支撑的数据传输速度就更快,就如同人的语速一样,在同一时间内,语速越快,信息的传达就越多;另外,由于天线长度与波长成正比,因此毫米波更短的波长,也让天线变得更短,可以更好地应用于各种场景;

5G,毫米波的“新大陆”

尽管有这些优点,一直以来,毫米波的应用范围却主要集中在雷达、制导、遥感、辐射测量等军事领域,没有用于民用的移动通信。很长一段时期以来,毫米波频段对于电信产业而言,都是“蛮荒之地”。

当中有一些是产业发展问题:其一,在5G时代以前,毫米波缺乏市场需求,以前的移动应用并不需要这么大的带宽和这么高的数据速率;其二,毫米波太贵,要克服传播损耗、提高覆盖范围,需要大量的金钱投入;其三,毫米波因为频谱高、带宽大、速率高,技术相对不够成熟。

此外,毫米波本身也有一些天然短板:传输过程中信号损耗大,易受阻挡,覆盖距离短——这些固有弱点,让业界很多人认为,毫米波难以支持终端的移动化特性。这里要多解释一下毫米波的传播损耗和信号覆盖的问题,要把毫米波运用于 5G ,这是核心难点所在,因为频率越高,能量散发就越快,传输就越困难,信号越容易衰减。对应到移动通信来说,就是信号越差。

我们同样也可以举例来说明。大家都知道声波和光波,这两种波就分别属于低频率波——声波,和高频率波——光波。我们如果隔着一堵墙对另外一个人说话,频率更低的声波是可以绕过围墙让对方听到的,但是你却看不见对方这个人,因为从对方反射的光波被墙挡住了,无法传输过来。毫米波的信号衰减问题也与此类似。

更雪上加霜的是,毫米波内有一部分频谱,已经被诸如卫星和其他广播使用,而余下的包括 28GHz、39GHz、75GHz等在内的空闲毫米波频谱,是毫米波中的更高频段。

所以之前的2G时代(GSM、CDMA),3G时代(CDMA 、WCDMA),到4G时代(FDD-LTE、TD-LTE),使用的频谱基本都是 6GHz 以下的——这些是当时最优的频谱:首先它们传输性能很好(过去几十年里,这些频谱都是紧着无线通信先用);其次它们对器件的要求也较低。一切都按部就班进行着。

但是随着网络终端的增长和网络应用的普及,低频段日趋饱和,也就是“土地”不够用了。眼看之前的频谱资源就像市中心的房子一样捉襟见肘,这时候,毫米波无疑像一块具有丰富资源的新大陆吸引着人们的目光,尽管毫米波有这样那样的问题,但其自身无法忽视的大带宽高速率的优势以及Sub-6频段资源紧缺的现状让毫米波成为了5G时代的新亮点。

5G路上,绕不开的毫米波

图:为了移动宽带、低时延、超大规模组网三大应用场景,5G系统在规划之初就确定了“全频段”,需要从高频、中频、低频统筹规划。【来源/研究机构Yole Developpement公开资料(2017年)】

“开辟”毫米波

为了挣脱毫米波固有的“枷锁”,使其能够满足用户对移动性和稳定传输的要求,许多公司都对毫米波技术进行了大量的研发和投入。而作为通信行业一直以来的引领者——美国高通公司就是其中的佼佼者。

对于不少手机发烧友来说,高通骁龙的名字肯定不陌生。这家创立于1985年、总部设于美国加州圣迭戈的公司是全球移动通信技术的巨头之一,中国著名的手机公司OPPO、vivo、小米、一加等等都是高通的合作伙伴。

为了破解毫米波在传输和覆盖方面的短板,实现其在移动终端中的应用,高通在数年前就积极投入毫米波技术的研发,在持续不断的努力下,推出了一套完整的解决方案。通过小基站、大规模MIMO和波束成形技术成功的扫除了实现毫米波移动化的障碍,接下来我们一样一样来谈。

(1)小基站

小基站,顾名思义就是小型基站。在5G网络建设方面,小型基站和毫米波可谓优势互补。一方面,毫米波的5G信号传输不佳,那么布置更多的小型基站,增加网络密度可以有效的改善这个问题。因此,5G时代将会通过部署大量小基站的方式,以加强传统的蜂窝塔,间接弥补了毫米波穿透力差、衰减大的缺陷;另一方面,小基站之所以可以小,也是毫米波的特点所致。由于毫米波的频率很高,波长很短,因此其天线尺寸可以做得很小,这是部署小型基站的基础。

当无数个“光源”(小基站)从高空照射下来,地面自然一片光明,不难预见,未来5G网络将不再依赖大型基站的布建架构,大量的小型基站将成为新趋势,以覆盖大基站无法触及的末梢通信。

(2)大规模 MIMO

小基站解决了网络覆盖的问题,而大规模MIMO(多输入多输出)则解决了毫米波发射和接收的问题。我们手机的通信频率越来越高,波长越来越短,天线也越来越短,到5G时代已经短到不是用“根”来表述,而是密集的天线阵列。大规模MIMO就能够支撑多根天线的发送和接收,可以将通信信号成倍的发射和接收,大幅提高了信号的传输速度,同时还可以增强信号的强度。

(3)波束成形

解决了网络覆盖和发射接收的问题之后,又要怎么改变毫米波难以远距离传输的现状呢?接下来就要提到,实现毫米波移动化的第三个关键技术——波束成形。目前的基站基本采用全向发射,这种模式虽然能够保证最大的辐射范围,但容易造成耗能大、资源浪费等问题,所以最好的解决方法就是,让它聚焦在一个方向,把发射出去的毫米波“拢”到一起,这就是波束成形技术。这种可以实现空间复用的技术,好比一双大手,将全向的信号覆盖凝聚成一个精准指向,且波束之间互不干扰,这就意味着在同一空间提供更多的通信链路,服务更多用户。

当然,只有波束成形还是不能解决毫米波难以远距离传输的问题。如果只有一个波束,波束的方向又不变,一旦手机的位置有变动,信号就无法传到基站。因此,波束必须要通过波束导向技术不断调整,指向传输对象的方向。同时,手机持有者的位置不断移动,基站相对于人的位置也在变,这就需要波束追踪技术,时刻追踪天线移动的位置,并让波束做出相应的调整,来保障信号在收到阻挡的情况下自动切换电波,来保持手机信号的连续使用。

对创新者来说,问题从来不是问题

早在上世纪 90 年代后期,高通已开始对毫米波、MIMO、射频等技术进行研究。高通公司总裁克里斯蒂安诺·阿蒙(Cristiano Amon)曾经在第三届骁龙技术峰会上,用了很长一段篇幅,谈毫米波之重要,更重要的是,这段话体现了创新者对于问题的态度,那就是问题从来不是问题,只是创新路上的一个节点。

“2015年,有人说毫米波技术行不通,那时我们向大家展示了通过波束控制毫米波是可用的。接着,又有人提出来说(毫米波)虽然可用,但也只能适用于视距情况下,于是高通又通过一个大篷车向大家展示了非视距移动毫米波。到了10月份,又有人质疑说,虽然实现了毫米波的移动化,但是使用环境有限,毫米波仍然无法为智能手机所用,而高通又向大家展示了智能手机参考设计,包含天线模组,能够满足智能手机的大小及其散热条件;这时候,质疑又出现了,说如果要做到这一点,那么手机的体积将会很大,而高通又通过移动测试平台MTP向业界展示,毫米波手机体积也可以接近正常手机体积。”这个过程对于高通而言,都意味着机遇,高通反之也因此变得越来越强大。

高通不止这样讲,也在身体力行的做。跨越技术门槛只是创新的第一步,如果终端用不上,一切都是空谈。所以高通在解决了毫米波的自有缺陷以后,又推出了整套的射频模组,将天线、射频前端、收发器和放大器等都整合到一个模组里面,通过提前做好这些元器件的调整工作让它们相互协同并将尺寸压缩来解决将毫米波运用于手机的问题。

2018年7月,高通推出了与其第一代 5G 调制解调器骁龙X50配套的毫米波天线模组QTM052;今年2月,高通又推出了与骁龙X55相配套的第二代毫米波天线模组QTM525。与 QTM052 相比,QTM525在多个方面都实现了提升:增加了对更多毫米波频段的支持,尺寸更小(由此,手机厂商可以将毫米波手机的厚度做到 8 毫米以下)等等。

除了城市六合开奖现场区域覆盖,高通也在不断探索将5G毫米波技术应用在更多场景当中。在2019MWC期间,高通进行了“企业私有网络”和“高密度的场馆”两个场景的演示,以展示5G NR毫米波用于室内覆盖的优势。这一系统模拟,是对室内毫米波OTA测试网络的补充,可以为智能手机、笔记本电脑和其他联网终端带来高容量、数千兆比特传输速率和低时延的连接,展示了真切的室内毫米波通信体验。诸如此类测试数不胜数,不可否认,要想 5G 实现“改变社会”的使命,毫米波将会是非常重要的技术。

放眼整个产业,毫米波已经逐渐枝繁叶茂,甚至业界已经在研究频率更高的 6G 了,困难真的不能阻碍创新者,只会激发创新者的动力。

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