为什么说毫米波是通向5G时代必经之路?
发布时间:2020-09-07 01 来源: 互联网
[ 导读 ] 在移动通信发展的30年间,毫米波一直都是一片未经开垦的蛮荒之地,虽然诸如高通、爱立信在内的通信巨头的实验室都对它持续地投入研究,但毫米波却没有真正走入我们的生活,而这也是市场与技术共同造成的结果。

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编者按:随着华为推出折叠屏手机,5G网络全面普及的步伐也在加快。5G网络的全面覆盖,人们对于带宽也会提出更高的要求。移动通讯发展的几十年来,6GHz以下频段使最为常用的。但5G的到来使发生了改变,相较于LTE所采用的6GHz以下频段,毫米波天生的技术优势让人没有再拒绝的可能。在频谱资源日渐稀缺的当下,毫米波技术最终也将登上历史舞台,承担起提供更优质网络的重任。

根据3GPP的协议划定,5G网络未来将会主要使用两段频率——FR1频段和FR2频段。其中FR1频段的范围为450MHz-6GHz,我们通常将它称之为6GHz以下频段;而另一个FR2频段则集中于24.25GHz至52.6GHz,外界普遍会以“毫米波”来称呼。

对于6GHz以下频段,业界已经非常熟悉了,事实上当前LTE网络都运行于6GHz以下频段,长久以来人类的移动互联网的发展都以此为基础。然而毫米波对于许多人而言却是陌生的名词,但无论从哪方面来讨论,若要实现畅想的5G互联时代,毫米波技术的推进将会是关键。

毫米波曾是蛮荒之地,但现在它却是通向5G最好的桥梁

在移动通信发展的30年间,毫米波一直都是一片未经开垦的蛮荒之地,虽然诸如高通、爱立信在内的通信巨头的实验室都对它持续地投入研究,但毫米波却没有真正走入我们的生活,而这也是市场与技术共同造成的结果。首先,过去人类对于移动通信的带宽要求并不高,在光纤传输都只有512K甚至更低的年代里,毫米波技术所提供的高带宽对于设备实用性优先,6GHz以下的窄带宽已经足够满足需求。同时,由于毫米波技术的高频特点,毫米波本身的传播距离相较于低频段更短,运营商需要实现大规模覆盖往往需要投入更多的成本。因此在频谱资源的尚未紧张的年代里,毫米波自然不是利用的首选。


并且一直以来支持毫米波的集成电路投入成本更高,它所需要克服的环境因素也更多,运营商在搭建基础网络时往往更考虑成本因素以及覆盖的回报价值,直到2017年的一个里程碑事件,高通通过一系列实际落地实验,证明了毫米波在城市之间部署的可行性。但在那之前,要让运营商以及终端厂商支持毫米波技术几乎是天方夜谭。

但这一切都因为5G的到来发生了改变,相较于LTE所采用的6GHz以下频段,毫米波天生的技术优势让人没有再拒绝的可能。从带宽来看,6GHz频段以下的LTE最大可用带宽仅为100MHz,这意味着数据速率至高只能满足1Gbps的下行。但毫米波频段移动应用最大带宽达到了400MHz,传输速率能够达到10Gbps甚至更多,在以快为先的5G时代,这样的带宽表现才能满足用户的期待。


其次,毫米波本身的频谱资源也更为丰富。随着30年的发展,30Ghz之内的频谱资源几乎已经消耗殆尽,LTE以及广播电视网络以及被运营商以及各个机构瓜分,要想从中开垦良田供给5G的难度会非常高。现如今几乎全球的运营商正在面临频谱资源短缺的问题,LTE与5G的冲突已经愈发明显,因此此时未经开垦的毫米波就成了移动通信行业的“新大陆”,它仍有广阔的空间留给运营商。

同时以技术来看,毫米波曾经的技术“缺陷”现如今也能成为优势。要知道频段越高,对于接收天线的尺寸要求就会越低。这意味对于支持毫米波的终端而言,机身内部的接收天线可以做得比以往更小,而对于没有尺寸限制的终端,也可以在原先的技术上容纳更多的高频段天线,从而获得更好的接受效果。

更为重要的是,毫米波本身由于传播距离比6GHz以下频率更短,因此在整个传播路径下,它的定向性将会更具优势,这使得毫米波信号间受到干扰的可能性将会变得更小,传播的精度有所提高。另外,窄波束本身由于传播距离短,它被远距离截获的可能性将变得更低,在通讯安全方面,也有着无可比拟的优势。

当然严格来说,所谓的毫米波(mmWave)更确切的是指EHF频段,它是频率范围横跨30GHz至300GHz的电磁波,如果从波长来定义,30GHz的电磁波波长为10毫米,而300GHz的电磁波波长则仅为1毫米。但根据FR2频段的播放来计算,24.25GHz的波长已经超过10毫米,虽然我们将它称作毫米波,但许多人认为它更应该划入厘米波的范畴。

不过由于世界并没有组织对毫米波下达过明确的定义,因此从广义认同的界限来看,FR2频段算作毫米波也无伤大雅。 可以说,毫米波曾是蛮荒之地,但它现在却是我们通向5G最好的桥梁。

毫米波不再是纸面技术,它正在成为“现实”

毫无疑问,随着5G商用的真正来临,毫米波也早已不是空洞的纸面技术,它也早已经是真正可用的现实,而这其中,不得不提到高通对于毫米波技术发展的贡献。事实上从上世纪90年代开始,高通就一直致力于新兴移动通信技术的研发投入,毫米波正是技术推进中的众多技术之一。

不过和所有技术的推动一样,毫米波技术真正实现商用化也经历了长达近30年的努力,就像前文叙述的那样,它不仅要克服高频信号本身对于遮蔽的弱势,同时也要给终端厂商以及运营商提供一套切实的可用方案。而高通则成了第一个实现这两点的通讯方案供应商,在2016年的巴塞罗那世界移动通信大会上,这家美国公司首次向世界展示了波束导向支持的非视距毫米波移动性试验,在测试中,基于毫米波技术的5G自适应波束赋形和波束追踪技术可以在真实环境中提供稳健的移动宽带通信。

这意味着以往桎梏着毫米波在移动通讯行业商用的锁链终于被打破,紧接着一系列商用实验也接连证明,即便行进的测试设备处于移动状态,亦或是在墙体密集的环境中,终端本身依旧可以实现多个基站的快速信号切换。


同时,针对终端厂商,毫米波的落地也在同一时间进入了倒计时。因为在2016年10月,X50 5G调制解调器正式现身,这是业界第一款完整提供毫米波以及6GHz以下链接的5G芯片,它的登场加速了业界对于5G网络商用的测试速度,进一步推动了整体5G发展的步伐。

关于毫米波,最大的反对声音在于,高频信号传输距离较短并且容易被物体影响,因此需要使用大量的小型基站来提升信号的覆盖。而这对于大多数运营商而言是不可取的,因为这会带来可预见的成本问题,部署更多基站意味着移动运营商需要更多时间和投入才能收回成本。

但高通却不这么认为,在它看来毫米波技术本身的高覆盖会帮助运营商进一步降低成本,事实上早在2017年,高通就已经通过仿真实验证明了毫米波在现代化城市环境中大规模覆盖的可行性。实验中的旧金山在10平方公里区域内实现了65%下行连接覆盖,由于基站本身与LTE基站共同部署,它在密集区市区的覆盖率甚至高达80%。同时,由于28GHz的高频段提供了更多的带宽使用,因此它为6GHz以下的LTE网络节省了大量的频谱资源,从而智能手机以及设备在室内环境将会获得更好的网络状况。


同时,毫米波的推动也发生在终端上,高通目前已经发布多个智能手机可用的小型化5G新空口射频模组,它们除了支持6GHz以外,同样还能提供对于毫米波的支持,这意味着智能终端厂商在使用基于高通骁龙855移动平台以及X50 5G调制解调器的方案时,搭配配套的射频模组,即可实现对于毫米波的支持。

我们相信,5G技术正像这个时代的蒸汽机,它将再一次推动全人类全产业的进步,无论是工业领域还是普通人的生活,都将因此而改变。在频谱资源进一步被压榨的当下,毫米波技术最终也将登上历史舞台,承担起提供更优质网络的重任。

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