5G關(guān)鍵技術(shù)：毫米波的講解

5G相比以往4G的優(yōu)勢(shì)有很多，不過(guò)最重要、普通消費(fèi)者最關(guān)心的，恐怕還是突破想象的傳輸速率了。但是不知大家有沒(méi)有想過(guò)，5G的速度為何能實(shí)現(xiàn)10倍甚至100倍的提高？其實(shí)這背后涉及一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：毫米波。

事實(shí)上，IT之家小編在此前的文章中也曾提到過(guò)毫米波的相關(guān)技術(shù)，但并沒(méi)有深入講解，那么今天，小編不妨就帶大家近距離認(rèn)識(shí)一下毫米波。

一、毫米波究竟是什么，為什么這么重要？

前面我們說(shuō)到，“高傳輸速率”是5G的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。那么怎樣提高傳輸速率呢？

首先我們明確，這里的傳輸速率，即單位時(shí)間里通過(guò)信道的數(shù)據(jù)量。在通信行業(yè)，關(guān)于信道傳輸速率，有這樣一個(gè)公式：

n＝Rb／B

這個(gè)公式中，n為頻帶利用率，Rb為信道傳輸速率，B則為系統(tǒng)帶寬。將這個(gè)公式變一下：

Rb＝n×B

不難看出，傳輸速率和頻帶利用率以及系統(tǒng)帶寬為正向關(guān)系，當(dāng)頻帶利用率越高，傳輸速率越高；系統(tǒng)帶寬越高，傳輸速率也越高。這就說(shuō)明，要想提高信道傳輸速率，就有提高頻帶利用率和系統(tǒng)帶寬兩種方法。

OK，確立了這兩種方法后，我們先放一放，來(lái)復(fù)習(xí)一下無(wú)線通信的一些基本概念，這樣才能對(duì)這兩種方法有更深的理解。

我們所說(shuō)的無(wú)線通信，就是利用無(wú)線電磁波進(jìn)行通信，翻中學(xué)的物理課本，我們還能找到那張熟悉的圖：

上面這張圖是電磁波譜，它是按照電磁波的頻率順序進(jìn)行排列的而畫出來(lái)的。頻率，是電磁波的重要性。

中學(xué)物理老師曾經(jīng)帶著我們研究的是可見(jiàn)光部分，而在無(wú)線通信領(lǐng)域，主要研究的是圖中綠色框線框起來(lái)的部分。

我們知道，無(wú)線通信的基本原理是將聲畫信息變換為含有聲畫信息的電信號(hào)，再把電信號(hào)“寄載”在比該信號(hào)頻率高得多的高頻振蕩信號(hào)上去，然后用發(fā)射天線以無(wú)線電波的形式向周圍傳播。

打個(gè)比方，整個(gè)無(wú)線電磁波的頻段就像一條“大路”，其中的高頻振蕩波（載波）就像運(yùn)載工具。

前面說(shuō)了，頻率是電磁波的重要特性，不同頻率的電磁波有不同的特性，也就意味著有不同的用途，所以我們?cè)陔姶挪ㄟ@條“大路”上進(jìn)一步劃分車道，分配給不同的對(duì)象和用途。具體的劃分比較復(fù)雜，我們用下面這張表來(lái)展示：

以往的移動(dòng)通信，主要走的是“中頻”到“超高頻”這段道路。在這段路上給各個(gè)國(guó)家運(yùn)營(yíng)商劃分使用的頻段，就是我們所說(shuō)的頻譜劃分。例如4G lTE標(biāo)準(zhǔn)中我們國(guó)家劃分的主要是超高頻的一部分頻譜資源。并且有一個(gè)趨勢(shì)：從1G到2G、3G再到4G，劃分的電波頻率越來(lái)越高。這其實(shí)是為了滿足更高傳輸速率的需要。

剛才我們說(shuō)到這條“大路”，其中的一個(gè)載波就像運(yùn)載工具，而載波載著信號(hào)，經(jīng)歷編碼、調(diào)制、發(fā)送、媒介傳輸、接收、解碼、譯碼的整個(gè)路徑，就是我們廣義所說(shuō)的信道，就像是一輛汽車從出發(fā)地到目的地的行進(jìn)軌跡，而信號(hào)，就是在信道中傳輸?shù)摹＞唧w的傳輸方式，是以碼元（symbol）的形式傳輸。

好，這時(shí)我們回到前面說(shuō)的頻帶利用率。什么是頻帶？對(duì)于信道來(lái)講，就是允許傳送的信號(hào)的最高頻率與最低頻率之間的頻率范圍。提高頻帶利用率，簡(jiǎn)單說(shuō)就是讓信道中單位時(shí)間里引入更多的碼元，從而提升速率。

但是這樣做也有不足。具體是怎么回事呢？簡(jiǎn)單說(shuō)一下。信號(hào)的調(diào)制是通過(guò)操縱無(wú)線電波的幅度和相位來(lái)形成載波的不同狀態(tài)，當(dāng)調(diào)制方式由簡(jiǎn)單到多進(jìn)制時(shí)，載波狀態(tài)數(shù)增加，就表示一個(gè)碼元代表的信息量增加了。碼元增加，一個(gè)碼元代表的信息量增加，但是載波的幅度不變，那么每個(gè)碼元狀態(tài)之間的間距變小了，所以容易受到噪聲干擾而令碼元偏離原本應(yīng)該在的位置，造成解碼出錯(cuò)，同時(shí)功耗也會(huì)增大。

▲由簡(jiǎn)單調(diào)制到復(fù)雜調(diào)制的狀態(tài)圖

聽(tīng)起來(lái)略復(fù)雜，沒(méi)關(guān)系，大家只要知道其實(shí)頻帶利用率不是越高越好就行。所以，人們很自然地將目光轉(zhuǎn)向另一個(gè)更簡(jiǎn)單粗暴的方法——提高頻譜系統(tǒng)帶寬。

但問(wèn)題是目前常用的6GHz以下的頻段已經(jīng)基本沒(méi)有更多的資源可利用了（到4G時(shí)代已經(jīng)非常擁擠）。5G時(shí)代怎么辦呢？這時(shí)候，人們想到了過(guò)去一直沒(méi)太關(guān)注的毫米波頻段。

毫米波就位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長(zhǎng)范圍，其實(shí)它也是兼有兩種波譜特點(diǎn)的。

于是，在3GPP 38．101協(xié)議的規(guī)定中，5G NR主要使用兩段頻率：FR1頻段和FR2頻段。FR1頻段的頻率范圍是450MHz——6GHz，又叫Sub 6GHz頻段；FR2頻段的頻率范圍是24．25GHz——52．6GHz，也就是我們這里所說(shuō)的毫米波（mmWave）。

回到前面的那張表，可以看到，毫米波的波長(zhǎng)在1mm－10mm之間，頻率則約為30GHz－300GHz。當(dāng)然，3GPP規(guī)定中是從24．25GHz開(kāi)始，根據(jù)

波長(zhǎng)＝光速／頻率

這個(gè)公式可知，它的波長(zhǎng)是12．37毫米，也可以叫厘米波，其實(shí)這里的定義并不是非常嚴(yán)格。

毫米波的最大特點(diǎn)是頻率很高，但是，在30－300GHz之間也不是所有頻段都可以隨意使用的，因?yàn)橛行╊l段效能比較差，所以目前很難被使用。3GPP協(xié)議38．101－2 Table 5．2－1中，為5G NR FR2波段定義了3段頻率，分別是：

n257（26．5GHz～29．5GHz）；

n258（24．25GHz～27．5GHz）；

n260（37GHz～40GHz）；

它們都使用TDD制式。美國(guó)FCC則建議5G NR使用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）這幾個(gè)頻段。例如Verizon和AT＆T已經(jīng)將目光瞄準(zhǔn)了28 GHz和39 GHz頻譜的很大一部分，芯片巨頭高通在16年推出的第一款5G調(diào)制解調(diào)器驍龍X50也支持28GHz頻段的5G運(yùn)行。

我們以28GHz和60GHz頻段為例，通信領(lǐng)域有一個(gè)原理，無(wú)線通信的最大信號(hào)帶寬大約是載波頻率的5％，所以兩者對(duì)應(yīng)的頻譜帶寬分別為1GHz和2GHz，而4G－LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下，頻譜帶寬只有100MHz，毫米波的帶寬相當(dāng)于4G的10倍，這是一個(gè)有待開(kāi)發(fā)的藍(lán)海。

這也就是未來(lái)5G信號(hào)傳輸速率會(huì)有極大提升的原因。

除了速率高，毫米波還有不少其他的好處。首先是，毫米波的波束很窄，相同天線尺寸要比微波更窄，所以具有良好的方向性，能分辨相距更近的小目標(biāo)或更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。

關(guān)于這一點(diǎn)，這里要展開(kāi)一下，后面也會(huì)講到。

可能有同學(xué)會(huì)問(wèn)，什么是波束？

小編打個(gè)比方，在黑暗中打開(kāi)手電筒，光線照射的區(qū)域就很像波束。因?yàn)樵诳臻g傳播過(guò)程中，無(wú)線信號(hào)的質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)衰減，但是它的能量傳播仍然是有方向的，這就形成了波束。就像手電筒有照射方向，光線會(huì)在這個(gè)方向的兩側(cè)逐漸分散，通信領(lǐng)域里，開(kāi)始下降固定功率的兩側(cè)形成的夾角，就是波束的寬度。

波束寬度和天線增益有關(guān)，所謂天線增益，簡(jiǎn)單理解就是天線能將能量集中到一定方向的能力，就像手電筒能將燈泡光線多大程度聚集到一起的能力。一般天線增益越大，波束就越窄，這很好理解。

那天線增益和什么有關(guān)呢？答案是波長(zhǎng)。關(guān)于天線增益有一個(gè)公式：

G表示天線增益，Ae表示天線有效孔徑。從這個(gè)公式中能夠看出來(lái)，波長(zhǎng)越短，天線增益越大，波束就越窄。毫米波的波長(zhǎng)很短，也就造成了它的窄波特性。

這里說(shuō)到天線，順便說(shuō)一下，根據(jù)通信原理，天線長(zhǎng)度與波長(zhǎng)成正比，比例大約是1／10～1／4，毫米波的波長(zhǎng)在毫米級(jí)，對(duì)應(yīng)的天線也就更短了，所以，在手機(jī)中使用毫米波技術(shù)，天線尺寸也可以更小。

當(dāng)然，具體它們的關(guān)系還很復(fù)雜，小編只是大致梳理了一下關(guān)系，深入地就不方便繼續(xù)展開(kāi)了。

毫米波還有一個(gè)特點(diǎn)，就是傳輸質(zhì)量高。這主要是由于它的頻率非常高，所以毫米波通信基本上沒(méi)有什么干擾源，電磁頻譜極為干凈，信道非常穩(wěn)定可靠。

另外毫米波的安全性也比較高，因?yàn)楹撩撞ㄔ诖髿庵袀鞑ナ苎?、水氣和降雨的吸收衰減很大，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直通距離很短，超過(guò)距離信號(hào)就會(huì)很微弱，這增加了被竊聽(tīng)和干擾的難度。剛才說(shuō)到毫米波波束窄，副瓣低，這也讓它很難被截獲。

毫米波可以極大提升無(wú)線通信傳輸速率，這已經(jīng)足夠誘人，并且還有這些附帶的優(yōu)勢(shì)，那么為什么這么多年一直沒(méi)有被商用在手機(jī)通信領(lǐng)域中呢？這是因?yàn)?，毫米波也有一些天然的缺陷，所謂硬幣的兩面，同樣的特性，有優(yōu)勢(shì)，也有不足，這些不足很多年來(lái)令人們對(duì)毫米波的商用“望洋興嘆”。

毫米波最主要的不足，就是傳輸性能比較差，這體現(xiàn)在三個(gè)方面：

第一是這些頻譜傳得不太遠(yuǎn)，比如在全向發(fā)射時(shí)，這些頻譜的能量發(fā)散比較快，容易衰弱，無(wú)法傳播到很遠(yuǎn)；

第二是繞射能力差，容易被樓宇、人體等阻擋、反射和折射，這很容易理解，想一個(gè)極端的例子，可見(jiàn)光，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)比毫米波更短，頻率更高，它就很難穿過(guò)大部分物體；

第三是毫米波還受限于很多空間因素，其中一個(gè)主要因素就是水分子對(duì)于這些頻譜的吸收程度很高，比如這些頻譜在下雨時(shí)、穿過(guò)樹(shù)葉、穿過(guò)人體時(shí)，它們衰弱非?？?。

還有一個(gè)原因是，生產(chǎn)能工作于毫米波頻段的亞微米尺寸的集成電路元件在過(guò)去一直比較困難，需要比較大的金錢投入，這樣阻礙了它的商用。

二、毫米波雖難用，但也有辦法駕馭

毫米波具有上面這些缺陷，所以過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里難以商用。不過(guò)隨著通信技術(shù)的發(fā)展，目前行業(yè)已經(jīng)有比較成熟的駕馭毫米波的方法。這里主要有波束成形技術(shù)、大規(guī)模MIMO（Massive MIMO）天線技術(shù)等。

這一部分我們就來(lái)介紹一下克服毫米波缺陷、并使其能夠應(yīng)用于消費(fèi)場(chǎng)景的技術(shù)。

首先是大規(guī)模天線技術(shù)。前面我們?cè)谥v解毫米波波束寬度的時(shí)候說(shuō)到毫米波波長(zhǎng)很窄，其實(shí)，毫米波波長(zhǎng)很短影響了天線增益，也間接影響接收功率功率。

上面這個(gè)公式是空間自由傳播模型（理想傳播模型）的接收天線功率計(jì)算公式，結(jié)合我們前面提到的天線增益計(jì)算公式，可以看到，當(dāng)發(fā)射端的發(fā)射功率和天線增益固定時(shí)，接收端的接收功率與天線有效孔徑成正比關(guān)系，與發(fā)射天線和接收天線之間的距離的平方成反比。

所以波長(zhǎng)對(duì)天線孔徑尺寸的影響，也會(huì)間接影響到功率。相比較以往運(yùn)用的厘米波甚至更長(zhǎng)的波段，毫米波波長(zhǎng)更短，信號(hào)衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致接收天線接收到的信號(hào)功率減少。而接收端的功率減少，顯然是不行的。

這種情況下，我們不能隨意增加功率，因?yàn)閲?guó)家對(duì)天線的功率有限制，減少發(fā)射天線和接收天線之間的距離也是不現(xiàn)實(shí)的，畢竟人拿著手機(jī)是在不斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的，所以，人們想到一個(gè)解決方法：增加發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量。

大規(guī)模MIMO技術(shù)就是基于這種思路產(chǎn)生，它還有一個(gè)名字，叫“多進(jìn)多出”（Multiple－Input Multiple－Output），多根天線發(fā)送，多根天線接收。

其實(shí)多輸入多輸出MIMO技術(shù)不是新技術(shù)，傳統(tǒng)的TDD網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)2天線、4天線甚至8天線的多進(jìn)多出，而在5G的大規(guī)模MIMO理念下，理論上天線數(shù)量可以是成百上千個(gè)，考慮到成本等各種因素，現(xiàn)階段主要是64／128／256個(gè)。

大規(guī)模MIMO技術(shù)下，主要的優(yōu)點(diǎn)自然是在單根天線功率很低的情況下依然能獲得很好的信號(hào)質(zhì)量，因?yàn)橛泻芏嗵炀€同時(shí)發(fā)力，在波束成型技術(shù)（接下來(lái)會(huì)講）的支持下令信號(hào)疊加增益，從而滿足系統(tǒng)的功率需要，同時(shí)也避免了使用大動(dòng)態(tài)范圍功率放大器帶來(lái)的硬件成本。

另外一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是增加了通信容量。大規(guī)模MIMO具備波束空間復(fù)用的特性，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個(gè)數(shù)據(jù)信道（MIMO子信道）發(fā)射信號(hào)，從而使得容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，基站天線數(shù)增多，形成陣列，除了水平方向外，還可以在垂直方向上進(jìn)行波束成形和波束導(dǎo)向，從而提升整個(gè)空間的覆蓋，并且利用波束成型技術(shù)能夠把所傳輸?shù)男盘?hào)集中到空間的一個(gè)點(diǎn)上，讓基站能夠精確分辨每一個(gè)用戶，從而提高了空間分辨能力。

在大規(guī)模MIMO技術(shù)中，我們反復(fù)提到一個(gè)技術(shù)，就是波束成型，這項(xiàng)技術(shù)可以說(shuō)是大規(guī)模MIMO的基礎(chǔ)技術(shù)。前面我們有講到，毫米波的波束很窄，而且在全向發(fā)射時(shí)，會(huì)出現(xiàn)高達(dá)幾十dB的信號(hào)衰減損耗，導(dǎo)致傳播距離有限。

而波束成型技術(shù)，主要思路就是用一張“手”，將散開(kāi)的波束集中起來(lái)，不擴(kuò)散不浪費(fèi)，形成定向發(fā)射，具體來(lái)說(shuō)就是通過(guò)調(diào)節(jié)各天線的相位使信號(hào)進(jìn)行有效疊加，產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)增益來(lái)克服損耗，從而讓發(fā)射能量可以匯集到用戶所在位置。

如此一來(lái)，有了波束成型技術(shù)，指哪打哪豈不是美滋滋？

不不不，其實(shí)這樣也有缺點(diǎn)，就是它不像全向發(fā)射，一旦波束的指向偏離用戶，用戶反而接收不到高質(zhì)量的無(wú)線信號(hào)。面對(duì)這種問(wèn)題，除了大規(guī)模MIMO，還需要結(jié)合波束管理技術(shù)來(lái)解決。

波束管理技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)方式很復(fù)雜，但簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在大規(guī)模MIMO的眾多波束中，以最快的速度找到基站和目標(biāo)用戶之間最佳的發(fā)射波束和接收波束，從而大大提高波束對(duì)準(zhǔn)的精度。

在這里舉個(gè)例子，高通去年推出的QTM052毫米波天線模組，就支持大規(guī)模MIMO和波束成型技術(shù)，在該模組中，高通利用多個(gè)天線形成相控天線陣列，天線之間的信號(hào)經(jīng)過(guò)互相干涉影響，能把信號(hào)能量集中在一個(gè)方向發(fā)射出去；同時(shí)它們不再使用全向發(fā)射，而是選擇定向發(fā)射，從而使得能量能夠傳輸?shù)酶h(yuǎn)，以提高覆蓋。

在此基礎(chǔ)上高通還使用了波束導(dǎo)向技術(shù)和波束追蹤技術(shù)，能夠更智能地追蹤傳輸對(duì)象，控制波束的方向。

三、毫米波，應(yīng)用場(chǎng)景比擬想象中更廣

說(shuō)了這么多毫米波的特性，以及將它商用的技術(shù)，其實(shí)最終目的就是兩個(gè)字——用它。

事實(shí)上，毫米波在未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景可能超出想象。首先，毫米波的特性決定了它可以主要被應(yīng)用在大帶寬、高容量的場(chǎng)景，面向高頻段的eMBB場(chǎng)景，可用于人口密度大、網(wǎng)絡(luò)容量需求大的熱點(diǎn)區(qū)域。

首先，毫米波很適合在大型場(chǎng)館如音樂(lè)會(huì)、體育館等人口密集區(qū)域進(jìn)行部署，可以帶來(lái)數(shù)千兆比特的速率以及低時(shí)延和無(wú)限容量的體驗(yàn)，以往在萬(wàn)人體育場(chǎng)觀看演出時(shí)手機(jī)信號(hào)幾乎為零、上不了網(wǎng)的情況不會(huì)再有，可以為觀眾帶來(lái)獨(dú)有的個(gè)性化體驗(yàn)。

這里有一點(diǎn)小編需要補(bǔ)充的，就是毫米波的波長(zhǎng)很小，所以天線也可以做得很小，這樣未來(lái)在5G毫米波部署時(shí)，在普通宏基站基礎(chǔ)上一定會(huì)有很多微基站（就是小基站）得到部署，在城區(qū)街頭、室內(nèi)角落，你都有可能看到。

這樣，毫米波就可以更好地在室內(nèi)場(chǎng)景部署應(yīng)用，這是它的強(qiáng)項(xiàng)，采用1：1或部分共址，實(shí)現(xiàn)媲美WiFi的上行和下行鏈路覆蓋，還可以利用更大的帶寬滿足實(shí)現(xiàn)數(shù)千兆比特中指突發(fā)速率的需求，總之就是讓你的上網(wǎng)體驗(yàn)更優(yōu)質(zhì)。

另外，毫米波還可用于固定無(wú)線寬帶接入業(yè)務(wù)，滿足典型如4K、8K電視的傳輸需求，滿足市郊居民區(qū)的視頻需求，一個(gè)典型的場(chǎng)景是家里購(gòu)買一臺(tái)CPE設(shè)備部署無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，然后即可通過(guò)電視聯(lián)網(wǎng)觀看高達(dá)8K的超高清視頻，當(dāng)然，前提是你有足夠的流量。

未來(lái)，毫米波還可在汽車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用，它可為聯(lián)網(wǎng)汽車通信提供所需的更高數(shù)據(jù)傳輸速率與準(zhǔn)確度，同時(shí)提高雷達(dá)作業(yè)的分辨率，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的駕駛安全輔助。

毫米波還有一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，就是軍事。其實(shí)毫米波在軍事領(lǐng)域目前已經(jīng)有應(yīng)用，其豐富的頻率資源不僅是寬帶通信的重要手段，還提供了另一條抗干擾、抗截獲的有效途徑。不過(guò)這一點(diǎn)距離我們普通消費(fèi)者就比較遠(yuǎn)了。

四、毫米波，已經(jīng)在路上

說(shuō)了這么多，大家是不是對(duì)毫米波在未來(lái)的應(yīng)用越來(lái)越期待？或者說(shuō)，對(duì)即將到來(lái)的5G時(shí)代越來(lái)越期待？

其實(shí)不用著急，從今年開(kāi)始，第一批5G手機(jī)將陸續(xù)上市。例如在安卓陣營(yíng)，他們絕大部分將采用高通驍龍855＋驍龍X50 5G調(diào)制解調(diào)器的方案，前面我們也說(shuō)過(guò)，驍龍X50是首款支持28GHz毫米波頻段上數(shù)據(jù)連接的5G調(diào)制解調(diào)器芯片組，也就是說(shuō)，在毫米波的應(yīng)用上，高通已經(jīng)早早給出了成熟可商用的解決方案。當(dāng)然，正在今年的MWC2019期間，高通也發(fā)布了第二代5G射頻前端解決方案，支持更纖薄、更高效的5G多模移動(dòng)終端，其中包括新一代毫米波天線模組QTM525。

相信，隨著5G商用部署進(jìn)程的不斷推進(jìn)，5G終端在未來(lái)的上市，毫米波，將切切實(shí)實(shí)服務(wù)于我們?nèi)粘５挠镁W(wǎng)需求，甚至，毫米波的超強(qiáng)性能催生新鮮的終端設(shè)備，將為我們以往的生活?yuàn)蕵?lè)和工作方式帶來(lái)翻天覆地的變化。而這一天，在基礎(chǔ)連接技術(shù)提供商、運(yùn)營(yíng)商以及終端廠商的合作努力下，正在一步一步地走來(lái)。