5G的“高速公路”還有哪些問(wèn)題需要解決？

如果把數(shù)據(jù)路徑比作高速公路的話，5G就是我們正在規(guī)劃，并開(kāi)始動(dòng)工的一條最寬廣，先進(jìn)的高速公路。為了能讓這條高速公路達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，我們需要拓寬這條高速公路的車道，也就是說(shuō)，我們需要開(kāi)拓更多可用的頻譜，因?yàn)榘o(wú)線電、電視和GPS在內(nèi)的所有無(wú)線通信都是通過(guò)無(wú)線電頻率或頻譜進(jìn)行無(wú)線傳播的，頻譜是連接的命脈。

更多可用的無(wú)線數(shù)據(jù)頻譜就意味著更大的網(wǎng)絡(luò)容量，更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，以及更好的用戶體驗(yàn)。5G新空口（5G網(wǎng)絡(luò)的全球標(biāo)準(zhǔn)）不僅包含了目前大多數(shù)移動(dòng)通信都在使用的3GHz以下的頻段，還包括了3GHz到6GHz（Sub-6GHz）之間的中頻段，以及更高頻率的24GHz以上的毫米波頻段。通過(guò)這些頻譜的組合使用，5G將可以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)移動(dòng)傳輸。

那實(shí)現(xiàn)5G的“高速公路”建設(shè)，還有哪些問(wèn)題需要解決呢？

圖1：5G路線圖規(guī)劃及生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。（來(lái)源：Qualcomm）

5G毫米波頻譜問(wèn)題

據(jù)我國(guó)2018年7月發(fā)布的《5G毫米波規(guī)劃建議白皮書(shū)》顯示，截至2018年7月，全球5G實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中43%使用了1~6GHz頻譜，使用6GHz以上的高頻的5G實(shí)驗(yàn)網(wǎng)數(shù)量占比達(dá)到57%，其中使用24GHz~29.5GHz毫米波頻段的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)占比為31%。

也就是說(shuō)，毫米波頻譜應(yīng)用于5G系統(tǒng)已成為業(yè)界共識(shí)。為做好5G毫米波頻率規(guī)劃相關(guān)工作，我國(guó)成立了1.13議題研究組，IMT-2020（5G）推進(jìn)組頻率工作表，目前已基本完成26GHz，32GHz，40GHz和70/80GHz的兼容性共同研究，并向ITU-RT65/1提交了相關(guān)研究報(bào)告。我國(guó)已于2018年底公布了三大運(yùn)營(yíng)商的5G頻譜分配方案。其中，中國(guó)電信獲得3.4-3.5GHz的100MHz帶寬；中國(guó)聯(lián)通獲得3.5-3.6GHz的100MHz帶寬；中國(guó)移動(dòng)獲得2515-2675MHz的160MHz帶寬及4.8-4.9GHz的100MHz帶寬。

圖2：中國(guó)2G-5G三大運(yùn)營(yíng)商通信頻譜分配方案。

歐盟委員會(huì)無(wú)線頻譜政策組（RSPG）2016年11月就發(fā)布了歐洲5G頻譜戰(zhàn)略，明確將26G（24.25-27.5GHz）頻段作為歐洲5G高頻段的初期部署頻段，RSPG推進(jìn)歐盟在2020年前確定此頻段的使用條件。此外，歐盟將繼續(xù)研究32G（31.8-33.4GHz）和40G（40.5-43.5GHz）頻段，以及其他高頻頻段?；跉W洲5G頻譜戰(zhàn)略，歐洲電信聯(lián)盟（CEPT）負(fù)責(zé)討論制定包含3.5G、26GHz等5G先發(fā)頻段的使用管理規(guī)則。歐盟電子通信息委員ECCPT1在2018年7月基本完成26GHz頻段技術(shù)應(yīng)用條件的研究和制定工作。

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）2016年7月14日全票通過(guò)將24GHz以上頻譜用于無(wú)線寬帶業(yè)務(wù)的規(guī)則法令，共規(guī)劃10.85GHz高頻段頻譜用于5G無(wú)線技術(shù)，包括28G（27.5-28.35GHz）、39G（38.6-40GHz），共計(jì)2.25GHz許可頻譜，37G（37-38.6GHz）共計(jì)1.6GHz混合許可頻譜和64-71GHz共計(jì)7GHz免許可頻譜。2017年11月，F(xiàn)CC發(fā)布法令決定增加24.25-24.45GHz、24.75-25.25GHz以及47.2-48.2GHz共1.7GHz頻段用于5G無(wú)線技術(shù)。至此，F(xiàn)CC在毫米波頻段為5G無(wú)線技術(shù)規(guī)劃頻率總量達(dá)到約13GHz。2018年11月，F(xiàn)CC啟動(dòng)了5G頻譜拍賣，首輪拍賣的是28GHz頻段頻譜，隨后拍賣了24GHz頻段頻譜。2019年，F(xiàn)CC還將再拍賣三個(gè)毫米波頻段，分別是37GHz、39GHz和47GHz。

韓國(guó)未來(lái)創(chuàng)造科學(xué)部（MSIP）2017年1月宣布了K-ICT頻譜規(guī)劃，以期推動(dòng)26.5-29.5GHz頻段用于5G商用部署，其中27.5-28.5GHz（1GHz）計(jì)劃在2018年釋放，26.5-27.5GHz和28.5-29.5GHz（共計(jì)2GHz）視5G產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況，不晚于2021年釋放。韓國(guó)政府已于2018年平昌冬奧會(huì)期間，使用28GHz頻段在首爾、平昌及其他城市建設(shè)了百余個(gè)5G站點(diǎn)，提供5G試驗(yàn)業(yè)務(wù)。同時(shí)，韓國(guó)已于2019年4月實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的正式商用。韓國(guó)于2018年6月完成5G頻譜拍賣，在28GHz頻段，每個(gè)運(yùn)營(yíng)商獲得了800MHz的頻譜。其中，SK電信獲得了28.1GHz-28.9GHz頻段，KT獲得了26.5GHz-27.3GHz頻段，LGUplus獲得了27.3GHz-28.1GHz頻段。

日本總務(wù)?。∕IC）2016年7月發(fā)布了面向2020年無(wú)線電政策，提出面向2020年的5G商用頻譜計(jì)劃，其中毫米波頻段將主要聚焦在28G（27.5-29.5GHz）頻段。日本總務(wù)省于2017年中旬聯(lián)合NTTDocomo、KDDI和Softbank在東京及部分農(nóng)村地區(qū)啟動(dòng)了5G外場(chǎng)試驗(yàn)，使用了6GHz以下和28GHz頻段。日本總務(wù)省已于2019年4月批準(zhǔn)了該國(guó)四家移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商建設(shè)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的計(jì)劃，并要求他們?cè)趦赡陜?nèi)建成覆蓋日本全境的5G網(wǎng)絡(luò)。為2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)提供5G商用服務(wù)。

圖3：全球主要5G商用國(guó)家的頻譜規(guī)劃。（來(lái)源：Qualcomm）

此外，澳大利亞、加拿大、新加坡等國(guó)相關(guān)主管部門也先后啟動(dòng)了針對(duì)毫米波頻段規(guī)劃及使用的公開(kāi)征求意見(jiàn)。根據(jù)征求意見(jiàn)函內(nèi)容，加拿大、新加坡已明確表示出將28G頻段用于5G的興趣。其中，加拿大ISED針對(duì)28G（27.5-28.35GHz）頻段和37-40GHz頻段的移動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，在征求意見(jiàn)中提出了針對(duì)本國(guó)頻率劃分規(guī)定的修訂意見(jiàn)。

圖4：2019年全球5G商用國(guó)家和地區(qū)及其頻譜。（來(lái)源:Qualcomm）

毫米波面臨的挑戰(zhàn)及解決方案

毫米波面臨的主要挑戰(zhàn)是由于毫米波本身頻率較高，天線通過(guò)饋線相連的損耗會(huì)非常大，使得傳播距離太短，而且信號(hào)容易被阻擋：只要將手放在智能手機(jī)上的天線上，信號(hào)就會(huì)被屏蔽。

工程師們一直在努力解決這個(gè)問(wèn)題，使用天線陣列進(jìn)行波束成形，將無(wú)線電能量集中起來(lái)以增加傳播距離。但是這又產(chǎn)生了另一個(gè)問(wèn)題：如何將這些天線陣列整合到移動(dòng)終端上？正因如此，業(yè)界一致認(rèn)為毫米波永遠(yuǎn)不能適用于移動(dòng)終端通信。

現(xiàn)在的解決方案是把前端做成模組化，以減少在毫米波頻段的損耗。這催生出了毫米波天線和射頻前端封裝在一起的“SiP+Antenna”的形式，由SiP進(jìn)階到AiP。

目前在5G毫米波AiP領(lǐng)域，高通是領(lǐng)先的方案提供商，配合其5G基帶X55同時(shí)發(fā)布的毫米波天線模組QTM525，支持6GHz以下頻段和毫米波頻段的高性能5G移動(dòng)終端提供從調(diào)制解調(diào)器到天線的完整方案。

此外，對(duì)于27GHz以上的毫米波頻率，濾波器的挑戰(zhàn)將是巨大的。目前的高性能毫米波濾波器確實(shí)存在，但大多數(shù)的尺寸和重量并不適用于與移動(dòng)設(shè)備。小型化EM波導(dǎo)和腔體濾波器的新技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)。腔體濾波器的預(yù)期性能應(yīng)高于EM波導(dǎo)濾波器，但是EM波導(dǎo)濾波器可以使用薄膜工藝，有低成本優(yōu)勢(shì)。

雖然Sub-6GHz的RFIC與LTE的高頻射頻前端沒(méi)有太大的區(qū)別，但毫米波的射頻前端還是有很大不同的，因此英特爾的一位蜂窩射頻工程師BenjaminJann在今年2月份舉辦的國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC)上表示了對(duì)毫米波目前在功耗方面的擔(dān)憂。

聯(lián)發(fā)科技的射頻工程師也贊同他的觀點(diǎn)，認(rèn)為目前毫米波所需要的散熱和典型的1W功耗都會(huì)存在問(wèn)題。

因此他們建議，現(xiàn)階段用戶可以選用Sub-6GHz的5G終端產(chǎn)品，對(duì)于毫米波終端還可以在等等看。