毫米波依靠超高的mmWave頻率的速度和容量為5G應(yīng)用提供超強動力。
毫米波5G，也被稱為mmWave--是下一代移動應(yīng)用基礎(chǔ)。我們將解釋它是什么，以及在需要高容量、低延遲網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)，它將如何影響5G網(wǎng)絡(luò)。
下一代5G網(wǎng)絡(luò)不僅將在大范圍內(nèi)提供無處不在的可靠覆蓋，還將能夠為關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署和全新業(yè)務(wù)運營提供動力，所有這些都需要快速、高容量、超低延遲的連接。
為了實現(xiàn)這一目標，移動運營商需要使用比前幾代移動技術(shù)更廣泛的頻譜。和低頻段和中頻段混合的4G網(wǎng)絡(luò)一樣，5G網(wǎng)絡(luò)也是如此。
至關(guān)重要的是，頻譜是一種有限的資源。隨著世界各國政府和監(jiān)管機構(gòu)認識到5G網(wǎng)絡(luò)的潛在經(jīng)濟和社會效益，各方已共同努力釋放盡可能多的頻譜。
目前人們開始注意以前被認為不適合移動網(wǎng)絡(luò)的波段，包括高范圍毫米波(mmWave)。
早在移動通信的重要性被認識到之前，許多毫米波頻段就分配給了其他用戶群體，如軍事或公共活動行業(yè)，因此毫米波頻譜具有很高的溢價。
什么是毫米波頻譜?
盡管低頻段700MHz可能有助于將5G傳播到農(nóng)村地區(qū)，但它不適合在繁忙的城市地區(qū)提供所需的可靠連接。
高頻段在有限的地理區(qū)域內(nèi)提供了巨大的容量。所以mmWave在5G推廣中的關(guān)鍵是在人口密集的城市地區(qū)，那里需要高容量--換句話說，那里有很多設(shè)備。
然而，mmWave也并非沒有挑戰(zhàn)。首先，這些信號不會走得那么遠。mmWave之前一直被移動設(shè)備所排斥，因為它的短距離和窄波長很容易受到大氣條件的影響。一種被稱為“降雨減弱”的效應(yīng)，因為降雨吸收無線電信號并造成干擾。
從技術(shù)上講，mmWave指的是微波和紅外線之間的頻率，在24GHz到300GHz之間。這些電波目前被用于科學(xué)研究，武器系統(tǒng)，甚至警察的測速槍。
人們認為26GHz - 100MHz頻段是移動網(wǎng)絡(luò)的最大機遇。
然而，正是先前不受歡迎的mmWave特性使得它非常適合5G。
這是因為它依賴于微基礎(chǔ)設(shè)施的使用，比如分布在密集城市位置的小單元。這一點，加上高頻段頻率將是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特征。
因此，mmWave只需要在有限的范圍內(nèi)使用，而短波長可以最大限度地減少來自其他蜂窩數(shù)據(jù)的干擾，從而提高頻譜的效率。
mmWave頻譜比目前的4G技術(shù)使用更高的頻率。
價值潛力
由聯(lián)合國下屬的國際電信聯(lián)盟組織的四年一次的監(jiān)管機構(gòu)和政府會議--2019年世界無線電通信大會(WRC-19)，與會代表確定了若干個可用于5G網(wǎng)絡(luò)的mmWave頻段。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。
對這些波段的正式識別，為全球統(tǒng)一、測試和標準化鋪平了道路--降低了成本，縮短了上市時間。這些協(xié)定還確保對鄰近波段的頻譜用戶，例如氣象服務(wù)，實行保障措施。
mmWave頻譜的高容量和超快速度將使許多5G應(yīng)用不太適合低頻段。雖然預(yù)計大多數(shù)商業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)將至少提供1Gbps，但是mmWave理論的最大值傳輸值是10Gbps。
GSMA預(yù)計，未來15年全球?qū)⒂?650億美元的GDP和1520億美元的稅收來自mmWave 5G服務(wù)。這相當于該時期所有5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)計經(jīng)濟價值的四分之一。
mmWave 5G拍賣
每個國家都有自己的分配頻譜給那些希望在這些頻段上運營的公司的方式。在美國3月5日舉行的最后一輪毫米波拍賣會上，37千兆赫、39千兆赫和47千兆赫頻段被拍賣。總銷售額達到了75.58億美元，幾乎是之前兩次mmWave拍賣的總和的三倍，24GHz頻段的總銷售額為20億美元，28GHz頻段的總銷售額為7億美元。威瑞森和美國電話電報公司(AT&T)占據(jù)了最大的市場份額，共花費30億美元，獲得了數(shù)千個新的mmWave許可證。
盡管出現(xiàn)了疫情大流行，各國仍在推進各自的計劃，將mmWave頻譜分配給出價最高的國家。例如，芬蘭電信監(jiān)管機構(gòu)Traficom已經(jīng)宣布，它計劃在5月份繼續(xù)拍賣5G頻譜。
此次拍賣將包括3張26GHz頻段的牌照，每張牌照提供覆蓋整個芬蘭大陸的800MHz頻段，起拍價為700萬歐元。注冊必須在2020年5月20日前提交給芬蘭交通和通信機構(gòu)Traficom，獲勝者可以在7月1日開始網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。
固定無線接入
最早使用5G毫米波的例子是固定無線接入(FWA)[1]寬帶。4G驅(qū)動的FWA的速度、可靠性和固定連接的體驗往往無法與之相比。數(shù)據(jù)上限也是一個巨大的障礙，尤其是當你考慮到家庭寬帶用戶比移動用戶消耗更多的數(shù)據(jù)。
Ovum表示，目前英國家庭平均每月消費190GB，到2023年，由于視頻流服務(wù)、在線游戲和其他應(yīng)用程序的普及，這一數(shù)字將增加到516GB。5G不受4G的限制，可以幫助滿足這一需求。
商用5G FWA網(wǎng)絡(luò)使用mmWave頻譜的試驗已經(jīng)達到了1-3Gbps，而分析人士認為，在真實世界環(huán)境下，80 - 100mbps的一致性速度是可以達到的。在美國，AT&T和Verizon都在美國主要城市提供5G FWA，為只有一家固定電纜供應(yīng)商的地區(qū)提供了一個現(xiàn)實的選擇。
盡管如此，英國目前有三家公司在倫敦市中心提供5G FWA網(wǎng)絡(luò)，而政府則希望在英國一些地區(qū)提供最低標準的寬帶網(wǎng)絡(luò)，因為在這些地區(qū)，光纖的商業(yè)化推廣在經(jīng)濟上并不可行。
對工業(yè)和社會進行新一輪變革
mmWave 5G在工業(yè)領(lǐng)域的使用案例非常強大，該技術(shù)能夠在世界任何地方提供可靠、高性能的連接。智能端口技術(shù)是5G最發(fā)達的工業(yè)應(yīng)用之一，有望通過機器的自動化和遠程操作來提高效率和降低成本。物流、礦業(yè)和其他行業(yè)也將通過流程的數(shù)字化和勞動力生產(chǎn)率的提高而轉(zhuǎn)型。
社會將受益于智能城市的應(yīng)用，如交通，醫(yī)療保健的提供和基本服務(wù)的獲取也將發(fā)生革命性的變化。虛擬培訓(xùn)將幫助工作人員改進，同時專家也可以遠程協(xié)助診斷和治療。這意味著位置將不再是護理的障礙。
教育也是如此。遠程學(xué)習(xí)將成為一種可能，這要歸功于利用遠程會議、虛擬現(xiàn)實(VR)和增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)的交互式課程。
mmWave和無線回程
受益于mmWave頻譜的不僅僅是終端用戶應(yīng)用程序--移動網(wǎng)絡(luò)本身也將變得更加高效。移動運營商計劃將mmWave頻譜用于無線回程，它是移動基站和核心網(wǎng)絡(luò)之間的連接。
傳統(tǒng)的回程依賴于高質(zhì)量的固定連接，這在農(nóng)村地區(qū)可能不存在。在農(nóng)村地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，無線回程提供了更大的靈活性和成本效率，而對于由小單元和其他微基礎(chǔ)設(shè)施組成的密集的5G網(wǎng)絡(luò)來說，這將是必不可少的。
測試表明，在延遲、可靠性和速度方面，mmWave頻譜可以提供“類似光纖”的性能，40Gbps傳輸是現(xiàn)實可性的。
發(fā)展狀況
如上所述，美國的運營商已經(jīng)在使用mmWave頻率為他們的FWA服務(wù)供電。然而，由于缺乏已發(fā)布的頻譜和兼容設(shè)備，想完全實現(xiàn)全部功能還需要時間。
盡管國際電信聯(lián)盟在全球范圍內(nèi)分配了波段，但發(fā)放這些波段牌照的過程是由各國政府和監(jiān)管機構(gòu)決定的。例如，英國監(jiān)管機構(gòu)Ofcom仍在研究26GHz的戰(zhàn)略。
還有標準化的問題。目前的5G網(wǎng)絡(luò)使用的是一種名為Release-15 (R15)的早期標準技術(shù)，該技術(shù)建立在現(xiàn)有4G基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)之上。
今年夏天，R16將完成，一旦可用，網(wǎng)絡(luò)就可以最大限度地發(fā)揮mmWave頻譜的能力，充分發(fā)揮5G技術(shù)潛力。
毫米波對中國未來5G發(fā)展影響深遠
WRC-19對于5G毫米波頻譜的劃分具有重要意義。此次來自190多個國家的3000名代表討論了無線電規(guī)則文件，所有簽署的國家都需要按照這個規(guī)則進行頻譜分配，該規(guī)則將決定全球今后4~5年頻譜的規(guī)劃和使用方案。從以往的經(jīng)驗來看，一個新的頻譜從ITU層面劃分到真正的商用需要7~10年。因此WRC的決定對于全球頻譜劃分具有重要意義，如2007年WRC大會上劃分的頻譜，后來成為3G、4G頻譜劃分和使用的基礎(chǔ)。
在亞太地區(qū)，GSMA預(yù)計中國的影響力將會特別大，將在5G毫米波所帶來的2120億美元的亞太地區(qū)GDP增長額中貢獻53%，特別在制造業(yè)和公用事業(yè)行業(yè)方面。WRC-19討論了24GHz~86GHz頻譜的劃分，這些頻段會帶來5G高帶寬、高速率方面的應(yīng)用。
5G對產(chǎn)業(yè)來說所需要的頻譜十分多樣，不同的應(yīng)用，不同的場景，對頻譜的需求也不一樣。高帶寬、高速率的應(yīng)用需要毫米波頻譜。5G毫米波有望繼續(xù)加強中國的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是考慮到其全面展開的經(jīng)濟轉(zhuǎn)型進程，為創(chuàng)新型驅(qū)動的經(jīng)濟創(chuàng)造新動能。5G加上毫米波頻譜可幫助釋放低時延、數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的潛力，這些應(yīng)用可以為各種行業(yè)和用例帶來變革。
我國毫米波研究不斷加速
毫米波頻譜確定后，我國也將開啟深入的研發(fā)和測試工作。
我國IMT-2020（5G）推進組此前就表示，未來的工作重點將聚焦毫米波領(lǐng)域。IMT-2020（5G）推進組試驗工作組組長徐菲在2019PT展上講解了我國毫米波技術(shù)試驗的主要目標。分別是：研究驗證5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)和主要特性，制定26GHz頻段的5G設(shè)備功能和性能指標要求，指導(dǎo)5G毫米波基站、核心器件和終端的研發(fā)；研究5G毫米波測試技術(shù)，制定系列測試規(guī)范，開發(fā)毫米波射頻、功能和性能測試系統(tǒng)，構(gòu)建支持SA和NSA的毫米波試驗網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，支撐5G毫米波端到端的完整的測試驗證；加強協(xié)作，在實際典型場景開展小規(guī)模應(yīng)用試驗和示范，探索5G毫米波的應(yīng)用場景和部署策略。
未來，推進組還將分階段推進5G毫米波試驗：2019年8-12月，驗證5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)特性；2020年驗證毫米波基站和終端的功能、性能和互操作，開展高低頻協(xié)同組網(wǎng)驗證；；2020-2021年，開展典型場景驗證。推進組還將重點面向毫米波設(shè)備和組網(wǎng)測試以及小規(guī)模應(yīng)用試驗和示范，積極推進毫米波基站、芯片、射頻模組的開發(fā)和優(yōu)化，研究毫米波的適用場景，探索毫米波和工業(yè)領(lǐng)域的融合應(yīng)用。
運營商也開展了緊鑼密鼓的毫米波研發(fā)工作。據(jù)一位業(yè)內(nèi)專家表示，目前有運營商已完成5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)驗證，2019-2020年間正在進行5G毫米波系統(tǒng)性能及標準方案驗證，計劃在2022年實現(xiàn)5G毫米波商用部署。不過在元器件方面，產(chǎn)業(yè)鏈還有待發(fā)展，再就是毫米波的應(yīng)用場景目前還處在探索和研究中。
產(chǎn)業(yè)鏈也已經(jīng)開始了密切的毫米波研究工作。華為、中興和諾基亞貝爾完成了毫米波關(guān)鍵技術(shù)測試的主要功能、射頻和外場性能測試，實現(xiàn)了毫米波的主要關(guān)鍵技術(shù)，開展了毫米波輻射射頻測試，支撐了我國毫米波規(guī)劃工作，后續(xù)進一步完善和優(yōu)化毫米波設(shè)備的性能指標。海思、高通進行了5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)的室內(nèi)功能測試。
[1] 固定無線接入（fixed wireless access，F(xiàn)WA）是指業(yè)務(wù)節(jié)點到用戶終端間部分或全部采用了無線傳輸?shù)慕尤敕绞健９潭o線接入主要面向固定終端，只提供有限的終端可移動性，如用戶步行。固定無線接入的目的是通過無線信道將用戶接入有線電話網(wǎng)，主要提供普通電話業(yè)務(wù)，固定無線接入的服務(wù)質(zhì)量以有線電話的質(zhì)量為參照，通話質(zhì)量應(yīng)是很好的，應(yīng)有與有線系統(tǒng)相近的阻塞概率、時延特性等
