翼联EDUP│读懂毫米波通信 了解5G与毫米波的来世今生

根据3GPP 38.101协议的规定，5G NR主要使用两段频率：FR1频段和FR2频段。FR1频段的频率范围是450MHz——6GHz，又叫sub 6GHz频段；FR2频段的频率范围是24.25GHz——52.6GHz，人们通常叫它毫米波（mmWave）。

严格来说，毫米波（mmWave）只能指EHF频段，即频率范围是30GHz——300GHz的电磁波，因为30GHz电磁波的波长是10毫米，300GHz电磁波的波长是1毫米，24.25GHz电磁波的波长是12.37毫米，可以叫它毫米波，也可以叫它厘米波。但是实际上，毫米波只是个约定俗成的名称，没有哪个组织对其有过明确的定义，因此，有人认为，频率范围在20GHz（波长15毫米）——300GHz之间的电磁波都可以算毫米波。

一度无人问津的毫米波通信

在很长一段历史时期，毫米波段属于蛮荒之地。为什么呢？原因很简单，因为几乎没有电子元件或设备能够发送或者接收毫米波。为什么没有电子设备发送或者接收毫米波？有两个原因。第一个原因是，毫米波不实用。虽然毫米波能提供更大的带宽，更高的数据速率，但是以前的移动应用不需要这么大的带宽和这么高的数据速率，毫米波没有市场需求。而且毫米波还有一些明显的限制，比如传播损耗太大，覆盖范围太小等等。第二个原因是，毫米波太贵。生产能工作于毫米波频段的亚微米尺寸的集成电路元件一直是一大挑战。克服传播损耗、提高覆盖范围也意味着大把的金钱投入。

毫米波将理想渐渐照进现实

但是，近十几年以来，一切都改变了。

随着移动通信的飞速发展，30GHz之内的频率资源几乎被用完了。各国政府和国际标准化组织已经把所有的“好”频率都分配完毕，但还是存在频率短缺和频率冲突。4G蜂窝系统的发展以及即将到来5G都依赖于合适的频率分配。问题是，几乎没剩下什么频率了。现在，频率就像房子，可以用一个字来形容，“贵”！对房子来说，第一是地段，第二是地段，第三还是地段。这样的描述同样适用于无线频率。

毫米波就像美洲新大陆，给移动用户和移动运营商提供了“无穷无尽”的频率资源。你可以把现在我们使用的所有sub 30GHz频段填到毫米波段的低端区域，还有至少240GHz的空闲频率。

毫米波带来了大带宽和高速率。基于sub 6GHz频段的4G LTE蜂窝系统可以使用的最大带宽是100MHz，数据速率不超过1Gbps。而在毫米波频段，移动应用可以使用的最大带宽是400MHz，数据速率高达10Gbps甚至更多。

需求总是创新的最大动力。生产出价廉物美的毫米波频段集成电路元件的技术难题迅速被攻克。通过使用SiGe、GaAs、InP、GaN等新材料，以及新的生产工艺，工作于毫米波段的芯片上已经集成了小至几十甚至几纳米的晶体管，大大降低了成本。

毫米波的天生短板和应用局限

现在我们能够随意使用20GHz到300GHz之间的任意毫米波吗？还不是。有人把常用的毫米波段分成四段：Ka波段26.5GHz- 40GHz；Q波段：33GHz-50GHz；V波段：50GHz-70GHz；W波段：75GHz- 110GHz。3GPP协议38.101-2 Table 5.2-1为5G NR FR2波段定义了3段频率，分别是：n257（26.5GHz-29.5GHz），n258（24.25GHz-27.5GHz）和n260（37GHz-40GHz），都使用TDD制式。美国FCC则建议5G NR使用以下频段：24-25 GHz (24.25-24.45/24.75-25.25 GHz)、32GHz (31.8-33.4 GHz)、42 GHz (42-42.5 GHz)、48 GHz (47.2-50.2 GHz)、51 GHz (50.4-52.6GHz)、70 GHz (71-76 GHz)和80 GHz(81-86 GHz)，同时建议研究用高于95GHz的频率来承载5G。

为什么不能随意使用毫米波频率呢？除了规模化经济效益的考虑之外，毫米波中有些频率的“地段”特别差。这里，影响“地段”的因素是空气，所以确切地说应该是这些频率的“天段”特别差。无线电波在传播时，大气会选择性地吸收某些频率（波长）的电磁波，造成这些电磁波的传播损耗特别严重。吸收电磁波的主要是两种大气成分：氧气和水蒸气。水蒸气引起的共振会吸收22GHz和183 GHz附近的电磁波，而氧气的共振吸收影响的是60GHz和120 GHz附近的电磁波。所以我们可以看到，不管哪个组织分配毫米波资源，都会避开这4个频率附近的频段。而高于95GHz的毫米波由于技术上的难度，暂时还不做考虑。

除了这个只能避开的“天段”因素，毫米波的其它限制我们只能面对，并且想办法克服。否则，毫米波就无法使用。

最关键的限制之一是毫米波的传播距离实在有限。物理定律告诉我们，在发射功率不变的情况下，波长越短，传播距离越短。在很多场景下，这个限制会导致毫米波的传播距离超不过10米。根据理想化的自由空间传播损耗公式，传播损耗L=92.4+20log(f)+20log(R)，其中f是单位为GHz的频率，R是单位为公里的距离，而L的单位是dB。一个70GHz的毫米波传播10米远之后，损耗就达到了89.3dB。而在非理想的传播条件下，传播损耗还要大得多。毫米波系统的开发者必须通过提高发射功率、提高天线增益、提高接收灵敏度等方法来补偿这么大的传播损耗。

优劣共生 机遇与挑战并存

任何事物都有两面性。传播距离过小有时候反而成了毫米波系统的优势。比如，它能够减少毫米波信号之间的干扰。毫米波系统使用的高增益天线同时具有较好的方向性，这也进一步消除了干扰。这样的窄波束天线既提高了功率，又扩大了覆盖范围，同时增强了安全性，降低了信号被截听的概率。

另外，“高频率”这个限制因素会减少天线的尺寸，这又是一个意外的惊喜。假设我们使用的天线尺寸相对无线波长是固定的，比如1/2波长或者1/4波长，那么载波频率提高意味着天线变得越来越小。比如说，一个900M GSM天线的长度是几十厘米左右，而毫米波天线可能只有几毫米。这就是说，在同样的空间里，我们可以塞入越来越多的高频段天线。基于这个事实，我们就可以通过增加天线数量来补偿高频路径损耗，而又不会增加天线阵列的尺寸。这让在5G毫米波系统中使用massive MIMO技术成为可能。

开辟新领域 助力5G发展

克服了这些限制之后，工作于毫米波的5G系统可以提供很多4G无法提供的业务，比如高清视频、虚拟现实、增强现实、无线基站回程（backhaul）、短距离雷达探测、密集城区信息服务、体育场/音乐会/购物中心无线通信服务、工厂自动化控制、远程医疗、安全监控、智能交通系统、机场安全检查等等。毫米波段的开发利用，为5G应用提供了广阔的空间和无限的想象。

由于3GPP决定5G NR继续使用OFDM技术，因此相比4G而言，5G并没有颠覆性的技术革新，而毫米波差不多就成了5G最大的“新意”。而5G其它新技术的引入，比如massive MIMO、新的numerology（子载波间隔等）、LDPC/Polar码等等，都与毫米波密切相关，都是为了让OFDM技术能更好地扩展到毫米波段。为了适应毫米波的大带宽特征，5G定义了多个子载波间隔，其中较大的子载波间隔（60KHz和120KHz）就是专门为毫米波设计的。前面提到过的massive MIMO技术也是为毫米波而量身定制。因此，5G 也可以被称为“扩展到毫米波的增强型4G”或者“扩展到毫米波的增强型LTE”。

毫米波在5G应用中的优势

5G频段目前分成两个部分，一个是sub-6GHz，一个是毫米波。为什么5G要上毫米波频段，主要有两点原因：1）sub-6GHz已经十分拥挤，各类电子设备互干扰严重。而毫米波频段相对比较“干净”；2）相比sub-6GHz，毫米波频段能提供更大的信号带宽，而根据香农公式，带宽越大信道容量越大，可支持的通信速率就越高。此外，毫米波还将被应用于5G车联网(V2X)，提供远超GPS和LTE精度的定位服务。这是因为距离分辨率与信号带宽成反比，毫米波的大带宽因而可以达到厘米级的定位精度。

然而，天下没有免费的午餐，毫米波带来了以上诸多好处，当然也有不少的缺陷。其中最大的缺陷就是毫米波的路损(path-loss)和雨衰(rain-attenuation)。众所周知，信号在空间中传播受到的衰减与频率的平方成正比，因此，毫米波信号承受的衰减将是sub-6GHz信号的几十甚至上百倍（注意，这里还是最理想的自由空间损耗情况）。此外，相比于10GHz以下的信号，雨、雪、冰雹等恶劣天气对毫米波的衰减也更为显著。简而言之，毫米波“传不远”。这对于毫米波在5G通信中的实际应用无疑是一个极大的挑战。

那么，如何才能让毫米波信号从基站传播的更远？答案就是利用5G的另一项关键技术massive MIMO，国内翻译成大规模MIMO或者大规模天线阵列。由于天线尺寸与信号波长成正比，massive MIMO天线阵列可以很容易地布置在毫米波系统中而不占用太大的空间。在massive MIMO阵列下，我们可以在空间中将信号能量集中在极窄的波束精确地指向下行用户，从而最大化在该方向的传播距离。

新的问题与新的解决方案

Massive MIMO虽然解决了毫米波传播距离的问题，但是又带来了新的问题，那就是昂贵的造价和高功耗。在普通MIMO系统中，每根天线后面都会接一个独立的RF Chain，其中包括了放大器，混频器，滤波器和ADC/DAC等器件。当工作频段较低时，这些器件的成本和功耗尚可接受。但在毫米波频段，这些器件的成本较高，并且还要乘以大规模天线/RF Chain的数量，这就导致了完全不可接受的造价和功耗。这无疑又是一个巨大的挑战。怎么解决这一问题呢，一个自然的思路就是减少RF Chain的数量，但是为了形成窄波束，还是需要保留大规模天线阵列，每个RF Chain则通过多个移相器(Phase Shifter, PS)连接多个天线。这事实上借鉴了相控阵雷达的理念。典型的相控阵雷达模型只有一个RF Chain，但是通过移相器连接了成百上千个天线阵元，如此一来，其发射出去的信号就是一个benchmark信号的多个移相版本在空间中的叠加，从而可以指向特定的方向。相比于完整的RF Chain，移相器的成本要便宜许多，功耗也要低得多。习惯上，我们把移相称作是模拟处理，把同时调整信号幅度和相位称作是数字处理（这是学界约定俗成的习惯，与狭义的模拟和数字信号处理有所不同），因此这一新的结构就被称为混合模数(HAD)结构。

如果有一天毫米波也拥塞了，移动通信系统该如何拓展新疆域呢？如果波长小于1毫米的话，就进入了光的波段范围（红外波段的波长范围是0.76微米-1毫米）。实验室里已经开发出了100GHz以上的晶体管。但是这种晶体管到300GHz左右就基本上没用了。那么该用什么电子元件呢？红外线工作于150THz-430THz，可见光工作于430THz-750THz，紫外线工作于740GHz以上，激光器件、LED和二极管能够生成和检测到这些光。但是这些器件没法工作于300GHz-100THz的频率范围。这个频率范围目前似乎成了盲区。但是，这个现象是暂时的。只要有需求，新科技和新元器件一定会消除这个盲区。

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