毫米波，讓5G回歸初心

話說5G在中國已經(jīng)商用了一年有余，用戶發(fā)展迅猛，越來越多的人都已經(jīng)換上了5G手機和5G套餐。

既如此，我們不禁要問一句：網(wǎng)速如何呀？

一、5G的愿景實現(xiàn)了嗎？

據(jù)中國信通院在2020中的統(tǒng)計結(jié)果，三大運營商的5G平均下載速率在500到600Mbps之間，是4G的10倍有余。

看起來還挺不錯呀，5G就是牛！

但別忘了，5G的用戶發(fā)展雖然快，但人數(shù)還是遠小于4G的。一旦越來越多的人跟你搶帶寬的時候，這平均速度可就要降下來了。

再說了，難道5G就僅僅是快一些的4G嗎？

經(jīng)歷過無限希冀的降生，砥礪前行的萌芽，以及血脈賁張的疾速發(fā)展，5G，你是否還記得自己最初的夢想？

在夢想中，你的征途是那萬物互聯(lián)的星辰大海。

在你的愿景中，有極致的移動寬帶，海量機器互聯(lián)，以及超高可靠性低時延通信。敢問，都實現(xiàn)了多少？

峰值20Gbps的極致速率，實現(xiàn)了嗎？

時延小于1ms的行業(yè)應用，實現(xiàn)了嗎？海量機器連接的物聯(lián)網(wǎng)，發(fā)展地如何？

其實大家心里都很清楚，革命尚未成功，同志仍需努力??！

因此，無數(shù)希望的目光，都投向了一片尚待開墾的處女地：毫米波。這片處女地在1G到4G時代一直是一片蠻荒，豐饒的同時卻也荊棘叢生，正是5G要征服的目標。惟有毫米波，才能引領5G達成既定的峰值速率，同時，在降低時延方面也是無可替代的存在。

二、5G毫米波的優(yōu)點突出

毫米波的頻譜極度豐饒毫米波，一般指頻率在30GHz到300GHz這段范圍內(nèi)的無線電頻譜，跟傳統(tǒng)的無線頻譜相比，頻率要高得多，因此也叫做高頻。

根據(jù)電磁波的 “ 波長=光速÷頻率 ” 這個公式，該段頻譜的波長在1毫米到10毫米之間，這就是“毫米波”的由來。實際5G所用的毫米波在24GHz到100GHz之間。

下圖是5G毫米波的候選頻段，可以看出，相比于擁擠的Sub6G頻譜（頻率低于6GHz的頻譜，2G/3G/4G/WiFi都在這一段狹窄的范圍內(nèi)），毫米波的頻譜資源簡直是太豐富了！

毫米波的5.5GHz-47GHz、47.2GHz-48.2GHz這兩段，僅可用于部分國家，其余頻段可在全球使用。相比之下，在Sub6G的兩個主流頻段，3.5GHz和2.6GHz上共有約1GHz的頻譜能給5G用，但還要被衛(wèi)星，雷達啥的占上一大塊，剩下的幾個運營商一分，一家能拿到100M就算土豪了。

而毫米波則完全不同，可分的帶寬極大，每個運營商拿上個800MHz，甚至1GHz的帶寬輕輕松松。頻譜資源多了，就好比路寬了，暢通無阻，網(wǎng)速自然就快了??！按毫米波800M帶寬計算，小區(qū)峰值速率就達到13Gbps了，再加上Sub6G上100M帶寬的7Gbps，總速率就到20Gbps了，5G增強型移動寬帶愿景達成！

毫米波可支持超低時延5G采用OFDM技術(shù)，把會把載波帶寬劃分成一個個的子載波，同時，在時間上也會分成一個個的時隙，用子載波和時隙這兩個維度一起用來傳數(shù)據(jù)。子載波寬度和時隙長度成反比，毫米波采用的子載波間隔比Sub6G寬得多，一般為120KHz，因此每個時隙的長度就可以很短，為0.125ms，僅為Sub6G（常用30KHz子載波間隔）的四分之一。

5G是以時隙為單位調(diào)度數(shù)據(jù)的，時隙長度越短，意味著5G在物理層的時延越小。這樣一來，毫米波的時延也就僅為Sub6G的四分之一！

嗯，看起來很厲害的樣子，5G的低時延需求，也可以解決了！

毫米波更易實現(xiàn)波束賦形一般情況下，天線單元的尺寸為半個波長時，效率最高。因此電磁波的波長越短，所需要的天線單元也就越小。

頻率越高，電磁波的波長越短，所需要的發(fā)射和接收天線單元也就越小毫米波的特點正是波長短??！所以天線的尺寸可以很小，在同樣的面積下可以容納更多的天線。天線一多，密密麻麻地排成一個方陣，就組成了天線陣列。

通過調(diào)整天線陣列上多個天線的權(quán)值，就能把信號的能量集中在起來，就像手電筒一樣對準手機精確覆蓋，這就是波束賦形。

頻率越高，天線數(shù)量越多，賦形效果越好波束賦形能力取決于天線單元的個數(shù)，個數(shù)越多，波束越窄，越能波束集中能量對準用戶，提升覆蓋規(guī)避干擾，賦形效果也就越好。下圖中的5G毫米波設備含有256個天線單元，每64個為一組，通過波束賦形來生成窄波束，因此該設備一共能提供4個波束來進行高速服務。

真實的5G毫米波設備目前，主流的毫米波AAU內(nèi)集成的天線單元數(shù)量已經(jīng)達到了512，甚至768個，相信過不了多久，就能塞下1024個天線了。有了波束賦形的加持，毫米波的一個個窄波束可以集中能量，精確對準并跟蹤用戶移動，帶來更好的用戶體驗并降低干擾。

波束賦形在工作     毫米波可支持高精度定位

毫米波有波束賦形的加持，波束窄、方向性好，有極高的空間分辨力，同時由于時延小，可以實現(xiàn)超高精度的定位。R17版本協(xié)議計劃做到厘米級別的定位，完全可以碾壓GPS，尤其是在室內(nèi)這種衛(wèi)星信號不好的地方。

支持毫米波的5G NR增強特性（圖片來自高通）

三、5G毫米波的致命缺點

欲戴皇冠，必承其重。毫米波有這么多的優(yōu)點，缺點只有一個，但卻是致命的。那就是，覆蓋差??！可謂天命難違，毫米波頻率高，損耗快，繞射，穿透能力差，覆蓋也就差上加差。到底有多差呢？下面幾種典型的傳播損耗，可謂刀刀見血，把毫米波虐地泣不成聲。    路徑損耗：信號能量在自由空間的擴散，信號必定是越遠越弱，能量損耗和頻率的平方成反比。舉例來說，也就是頻率增大3倍，損耗就會增加9倍！

頻率越高，自由空間損耗越大    繞射損耗：電磁波傳播過程中由障礙物引起的附加傳播損耗。頻率越高，繞射能力越差，繞射損耗越高。

頻率越高，繞射損耗越大    穿透損耗：電磁波傳播過程中，穿透建筑，花草樹木等障礙物產(chǎn)生的損耗。頻率越高，穿透能力越差，穿透損耗越高。

頻率越高，穿透損耗越大（穿透樹木） 

頻率越高，穿透損耗越大（穿透建筑）    雨衰損耗：電磁波信號因大氣中的雨、雪、冰的吸收，散射等現(xiàn)象導致信號減弱的現(xiàn)象。通常頻率越高，衰減越大。

5G毫米波受天氣的影響非常嚴重信號在空間中的傳播是上述幾種衰減方式的總和。如果用低頻2.6GHz和高頻28GHz進行對比，在信號傳播路徑相同的情況下，經(jīng)歷的衰減如下圖所示。

5G毫米波經(jīng)歷的層層損耗毫米波28GHz由于頻率高，每一步經(jīng)歷的衰減都要比2.6GHz多得多：

① 自由空間損耗：多20dB；

② 繞射損耗：多10dB；

③ 樹木穿透損耗：多8dB；

④ 房屋穿透損耗：多14dB；

⑤ 室內(nèi)傳播損耗：多5dB。

把這些值加起來，可以得出：同樣的發(fā)射功率，經(jīng)歷同樣的傳播路徑，最終用戶收到28GHz的信號是2.6GHz信號強度的百萬分之一！

毫米波的覆蓋這么差，看來這片看似豐饒的處女地確實不是那么好開發(fā)。

幾乎可任何東西都可以擋住毫米波信號，電話亭、一棵樹、玻璃、雨傘、甚至是...空氣，只要基站和手機之間有遮擋，可能轉(zhuǎn)個身，網(wǎng)絡會立刻回落到4G。

毫米波被樹木遮擋（圖源：LuxCarta）甚至旁邊走來個人，就可以讓5G毫米波的信號徹底墜入谷底。

“胖砸，你擋住我的信號啦！”但是，毫米波大帶寬高速率低時延的誘惑實在是太強烈了，簡直是無法抗拒。

因此，有條件要上，沒有條件創(chuàng)造條件也要上！

四、5G毫米波如何應用？

毫米波有哪些應用場景？尺有所短，寸有所長。要用好毫米波，首先必須要擺正心態(tài)，把它用在對覆蓋要求不是那么高，但是對帶寬和時延的要求極高的場景。毫米波的超大容量，自然最適合用在人頭攢動的體育場，火車站，或者密集商務區(qū)，大型集會現(xiàn)場這樣的流量爆點了。

另外，作為有線光纖的補充，毫米波的大容量還可以用作固定接入（也叫FWA，固移融合）。
其實就是將5G信號通過毫米波傳送給用戶家庭CPE設備，然后轉(zhuǎn)換為Wi-Fi或有線信號，讓用戶實現(xiàn)寬帶上網(wǎng)。

由于我國的光纖基礎設施比較完善，所以寬帶接入基本以光纖為主。但是國外很多國家并沒有如此豐富的光纖資源，光纖敷設成本也很高，就會考慮CPE等無線寬帶接入方式。下來就是5G心心念念的行業(yè)應用了。

5G毫米波的大帶寬，低時延，再和邊緣計算、人工智能等技術(shù)結(jié)合，可以為像園區(qū)、廠區(qū)、碼頭、港口等覆蓋區(qū)域提供各種定制化的企業(yè)級服務。

這就是大家耳熟能詳?shù)闹腔蹐@區(qū)、智慧工廠、智慧醫(yī)院、智慧學校、智慧碼頭等應用。比如，典型的工業(yè)機器人要求 1 毫秒時延和 99.9999% 的連接可用率；工業(yè)手持設備和監(jiān)控攝像頭等則不僅要求能夠支持更高的清晰度和幀率，連接設備密度非常大。因此在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下，5G毫米波不可或缺。

然后，在毫米波的正確使用場景上，再考慮怎樣盡最大可能去增強覆蓋。

毫米波怎樣增強覆蓋？還記得前面介紹過的波束賦形嗎？

有了波束賦形，相當于燈泡變手電筒，發(fā)射能量集中了，自然覆蓋也就遠了。再加上波束搜索、波束跟蹤以及波束切換等技術(shù)，即使手機在部分方向的直射信號的被遮擋了，也能迅速捕捉到反射路徑，形成新波束并動態(tài)地切換。

這樣一來，毫米波就跳出了只能視距傳播的桎梏，覆蓋再次增強！你以為這就完了？下面還有更炫酷的。

R16協(xié)議引入的集成接入及回傳（Integrated Access Backhaul，IAB）技術(shù)，可以讓毫米波既做接入，也做回傳，不需要拉光纖，一串基站就能自我級聯(lián)，覆蓋擴展。

圖中的Access就是接入，Backhual就是回傳最后，由于毫米波的波長小，天線也就小，內(nèi)部其他元器件再緊湊設計一下，5G毫米波基站的體積可以非常小，非常適用于靈活部署，夾縫生存。

由于方便隱藏，因此多來一些小基站也是非常方便的，這也是增強覆蓋和容量的重要途徑。

五、5G毫米波的現(xiàn)狀和未來

由于毫米波大帶寬低時延的優(yōu)點實在太過突出，也有技術(shù)能彌補致命的覆蓋問題，應用場景還很廣泛，自然成了5G下一階段的焦點。截止2020年底，全球已有43個國家的132個運營商都在投資毫米波。美國，日本，韓國等地方是毫米波商用的急先鋒，歐洲的頻譜拍賣也是如火如荼。

來源：GSA 5G毫米波生態(tài)報告（2020年11月）同時，也已經(jīng)有近100款終端宣稱支持毫米波，其中46款已經(jīng)商用。毫米波從網(wǎng)絡到終端的生態(tài)鏈都已趨于成熟。

來源：GSA 5G毫米波生態(tài)報告（2020年11月）中國也早在2017年就開始了毫米波的技術(shù)研究和實驗。

2020年，工信部明確提出：將結(jié)合國家頻率規(guī)劃進度安排，組織開展毫米波設備和性能測試，為 5G 毫米波技術(shù)商用做好儲備，適時發(fā)布部分 5G 毫米波頻段頻率使用規(guī)劃。

因此，近兩年毫米波在中國商用落地也基本是板上釘釘。目前最讓人期待的，莫過于2022年冬奧會的5G毫米波應用了。

冬奧會作為大型賽事，必然面臨大量的上行流量需求，比如超高清視頻的直播，以及現(xiàn)場大量攝像機360°視頻實時回傳，視頻監(jiān)控與安保等等。同時，現(xiàn)場的大量的觀眾，媒體，運動員及工作人員，也會在較小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生超高的下行流量以及超密集的連接，用于全息訪談、VR/AR觀賽，及其他個人數(shù)據(jù)業(yè)務。

毫米波，作為極致5G體驗的最佳選擇，必將會在北京冬奧會上大放異彩。

而這一切，僅僅只是5G初心的冰山一角。