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毫米波,距离我们还有多远?

根据预测,到今年年底,国内5G基站的数量将可能达到70万个。

就在5G建设如火如荼的同时,随着R16版本的冻结,人们逐渐将关注目光放在5G下一阶段关键技术上。这其中,就包括号称5G杀手锏的毫米波技术。

我们知道,3GPP定义的5G无线电频段范围有2个,分别为FR1频段和FR2频段。

早期的时候,FR1频段的频率范围是450MHz-6GHz,又叫 Sub-6 GHz频段。

后来,FR1被3GPP改为410-7125MHz,但Sub-6的称呼习惯被保留下来

而FR2频段的频率范围,是24.25GHz-52.6GHz。

因为FR2频段中,多数频率的波长小于10毫米,所以FR2也被称为“毫米波(mmWave)”频段。

2019年,国际电联世界无线电通信大会 (WRC-19) 期间,各国代表经过激烈讨论,确认了5G毫米波的法定频谱范围:

全球范围内,将24.25GHz-27.5GHz、37GHz-43.5GHz、66GHz-71GHz频段,标识用于5G及国际移动通信系统(IMT)未来发展。45.5GHz-47GHz、47.2GHz-48.2GHz频段,可以在部分国家地区用于5G及IMT。

ITU批准的毫米波频段

频谱资源的确定,极大地鼓舞了产业界对毫米波的信心,刺激了毫米波技术的发展。

毫米波的发展现状

目前,全球已有超过120家运营商正在投资毫米波。

根据2020年8月份的最新数据,目前全球范围内已经有22家运营商部署了毫米波5G系统。其中,进展最快的,是包括美国在内的北美地区。

众所周知,美国因为Sub-6频段资源极其紧缺(大量被军方占用),所以将毫米波频段作为5G先行部署的主要频段。具体来说,是28GHz和24GHz频段(26GHz也在考虑中,37/39/47GHz频段拍卖已完成)。之后,美国也进行了Sub-6GHz频谱拍卖。

紧随其后的是日本和韩国。他们将毫米波用于重点区域的覆盖,所使用的频段也是28GHz为主。

再往后是欧洲和澳洲。

意大利已经进行了毫米波频谱资源的拍卖,德国和英国正在计划之中。他们的使用频段,主要集中在26GHz频段(24.25-27.5GHz)

澳大利亚的话,主要是在26GHz、40GHz和32GHz,频谱拍卖的计划已经正式宣布。

相比之下,我们中国的毫米波商用计划相对并不是很急迫,目前还处于研究和测试阶段,频段资源也没有进行正式分配。

主要原因,正如前面所说,是因为我们的Sub-6频段资源相对较为充裕(我们是少数可以在Sub-6频段连续分配100MHz频率资源的国家),所以对毫米波的需求并不像美国那么迫切。

当然了,不急并不代表不上。

目前国内关于毫米波的测试早已启动,正在紧锣密鼓地进行之中。据中国移动专家介绍,外场测试的结果跟理论分析数值比较吻合,有效提升了行业对毫米波的信心。

中国毫米波测试进展(图片来自中国移动)

政策方面,工信部之前就有明确发文,要求:“适时发布部分5G毫米波频段频率使用规划”,“组织开展毫米波设备和性能测试,为5G毫米波技术商用做好储备”。(《工业和信息化部关于推动5G加快发展的通知》,2020-3-24)

三大运营商也都有各自的毫米波商用计划时间表。例如中国移动的专家就透露,将在2022年具备毫米波的规模商用能力。中国联通则表示,将在2021年6月完成冬奥场馆设备部署和毫米波应用产品体验部署,在2022年北京冬奥会进行毫米波技术的展示和应用。

毫米波的优缺点

如果说美国使用毫米波是被逼无奈,那么为什么我们也一定要去折腾毫米波呢?

说白了,还是和毫米波的特点有关。

毫米波最大的特点,就是频段资源丰富。相比于Sub-6频段分配资源时只能5MHz、10MHz、20MHz这样挤牙膏(能有100MHz要感动到哭),毫米波可以轻松分配100MHz以上的带宽资源,甚至达到400MHz或800MHz。

基于如此充沛的频率带宽资源,毫米波5G的无线传输速度可以轻松超过Sub-6数倍。

之前我们看到过国内很多人对5G进行测速,基本上就是1Gbps左右。毫米波的话,根据前文提到的中国移动外场测试结果,小区峰值速率达到了14.7Gbps(基于800MHz频谱带宽)

香不香?

除了高速率之外,毫米波的大带宽还能带来更低的空口时延,有利于高可靠、低时延业务的部署。

毫米波频率高、波长短,因此,天线的尺寸更小(天线尺寸和波长成正比)。相同体积下,可以集成更多的天线,可以形成更窄的波束,拥有非常高的空间分辨率。

毫米波还支持厘米级的定位,尤其是室内环境中,非常好用。

毫米波有非常明显的优势,也有非常明显的劣势,那就是覆盖能力

毫米波的覆盖能力是出了名的差。工作频段高,绕射能力差。相同条件下,穿透损耗也高,信号极容易受到遮挡阻断。

有测试数据显示,混凝土墙体对毫米波的损耗可能高达60~109dB。这就意味着,毫米波几乎不具备穿墙的能力。想要通过室外宏站覆盖室内,几乎不可能。

玻璃同样也是毫米波的天敌,会带来明显的损耗。即便是人体或树木,都会对毫米波造成显著影响。

所以,如何对毫米波进行合理部署,如何提高毫米波的覆盖能力,是毫米波成功实现商业落地的前提条件。

毫米波的覆盖提升

目前来看,提升毫米波覆盖的主要方式和思路包括:

一、直接提升发射功率,例如EIRS(等效全向辐射功率),进而提升覆盖范围。

二、采用阵列天线(毫米波的必然选择),合理利用波束赋形和波束管理,宽波束适合增加覆盖面积,窄波束适合增加覆盖距离,两者进行平衡。

三、引入恒介电常数透镜天线(如龙勃透镜天线),获得更高的天线增益。

四、采用反射板等装置,通过增加反射路径,减少覆盖盲区。

五、引入碳化硅、氮化镓等新材料技术,增加功率和性能。

六、采用高低频混合组网,弥补高频覆盖的弱点,同时发挥高频大流量的优点。

七、采用MTRP、IAB等技术,优化链路路由,改善信号覆盖,增强信号鲁棒性(健壮性)

MTRP:让手机终端可以同时接收两个基站的信号。当一个发生遮挡,不会影响另外一个信号的传输。

随着技术的不断演进,目前毫米波在室外视距(LOS)传播已经可以达到1~2公里,非视距的话,整体覆盖在100~200米之间(基站EIRP>60dBm)。

上个月,高通、Casa Systems和爱立信在澳大利亚成功完成了全球首次增程毫米波5G NR数据呼叫,实现了迄今距离最远(3.8公里)的连接,展现毫米波技术的强大远程传输能力。

总而言之,在各项技术的加持下,毫米波的覆盖能力正在不断改善,只要部署合理,完全可以商用落地。

毫米波的应用场景

我们先来了解一下毫米波的应用场景,看看它到底适合部署在哪些场所。

毫米波的大带宽、低时延、弱覆盖特点,决定了它主要适合三类场景:

第一类,是密集人群超大业务流量区域的热点覆盖。例如车站、机场等交通枢纽,体育场、商场、剧院等人群集中区域。

这些区域终端数量多,流量需求大,借助毫米波的部署,可以形成网络的高通量层,提升网络容量的上限。

特别值得一提的是VR/AR。这类场景目前对带宽有很高的需求,尤其是多终端场景下,以8K VR为例,50个设备,大约是5Gbps,是需要毫米波去满足的。

联通冬奥会计划打造大带宽无线场馆,服务于高清全景赛事直播的同时,满足观众、参赛者、工作人员、媒体记者等人员的连接需求,也是毫米波的用武之地。

第二类,是智慧园区、智慧工厂、智慧医院、智慧学校、智慧码头等产业互联网场景。

5G赋能百行千业,引领各行各业的数字化转型。除了大带宽外,行业场景往往都有低时延、高可靠性的需求,也就是5G uRLLC场景需求。

以智能制造为例,机械臂等设备的运行,高精度检测设备的工作,都对时延有很高的要求,借助毫米波的大带宽和低时延,辅以MEC边缘计算及AI人工智能技术,才能够很好地满足现场需求,做到5G落地。

第三类场景,大家可能不太容易想到,那就是固定无线宽带接入(FWA)

我们国家光纤基础设施比较完善,所以宽带接入基本以光纤为主。但是国外很多国家并没有如此丰富的光纤资源,光纤敷设成本也很高,就会考虑CPE等无线宽带接入方式。

其实很简单,就是用毫米波做最后一公里的接入。将5G信号通过毫米波传送给用户家庭CPE设备,然后转换为Wi-Fi或有线信号,让用户实现宽带上网。如下图所示:

固定无线宽带接入

这种方式,对于密集住宅区非常有效,成本远低于光纤。

同样的,国外也有将毫米波用于基站回传,也可以满足特定场景环境的需求。

毫米波技术的标准化

3GPP在5G第一个版本,也就是R15版本中,就针对毫米波工作频段进行了标准化,开展了建模研究,给出了基本的功能版本。

在今年6月份冻结的R16版本中,3GPP对毫米波做了一些优化,重点提升毫米波的工作效率,降低通信时延和开销。

R16还引入了很多支持毫米波的5G NR增强特性,例如集成接入及回传(IAB)、增强型波束管理、双连接优化等。

支持毫米波的5G NR增强特性(图片来自高通)

以集成接入及回传(Integrated Access Backhaul,IAB)为例。这是一项既有利于增强部署,又有利于节约成本开支的技术。

IAB架构示意图

简单来说,某基站具有光纤回传资源,它周边的其它基站可以通过毫米波与这个基站建立回传关系,不需要每个基站都配备光纤回传资源,只需要提供一个电力,就可以了。

目前正在进行的R17版本,对毫米波进行了增强,适配了更多的场景。同时,R17也将对频谱进行进一步扩展,支持从52.6GHz到71GHz的频段以及60GHz免许可频段,这将极大拓展毫米波频谱的利用范围。

 毫米波的产业链

目前,全球几个主流设备厂家都推出了自己的毫米波产品,基本上也都支持800MHz的带宽。

终端芯片方面,早在2018年,第一代毫米波芯片就已经实现商用,当时是支持n257、n260和n261频段。到了2019年,第二代商用毫米波芯片实现了毫米波全频段支持。

3GPP定义的FR2频段(TS 38.104)

这其中,高通发力最早,目前已经推出三代支持毫米波的5G解决方案骁龙X50、X55、X60。海思Balong5000基带芯片以及三星Exynos5123芯片,均在2019年实现了对毫米波的支持。2020年,联发科Helio M80也将加入。

预计2021年初,搭载骁龙X60的商用旗舰机将推出,届时可支持NR高低频双连接和载波聚合,从而具备5G高低频协同组网的能力。

终端方面,目前已经有摩托罗拉、LG、三星、一加等手机厂商推出毫米波商用智能手机,包括中兴通讯等厂家已经推出了支持毫米波的CPE。

根据中兴通讯分享的数据,经粗略估计,现在大概有60多种终端支持毫米波。根据GSA截至今年8月的数据,已宣布的5G终端中有22.3%支持毫米波频段。

有消息称,苹果也将很快发布支持毫米波的手机。

鉴于毫米波在产业互联网的丰富应用场景,毫米波模组也处于一个快速发展的阶段。国内包括移远通信在内的模组厂家,都推出了毫米波模组,并能够提供相配套的设计服务。

毫米波的未来

毫米波是5G的关键技术,也是特征技术。没有毫米波的5G,很难称之为完整的5G。

因此,我们不能沉浸在Sub-6频段带来的网络性能有限提升之中,而应该加紧对毫米波技术的研究,攻克难关,推动其早日落地。

根据GSMA的预测,在2035年之前,毫米波技术将对全球GDP做出6560亿美元的贡献,占5G总贡献的25%。包括虚拟现实、智能制造、医疗健康、智能交通等多个领域,都将从毫米波技术中获益。

在中国,毫米波将创造的价值也尤为可观。同样是GSMA的预测,到2034年,在中国使用毫米波频段将带来的经济受益将产生约1040亿美元的效应,大约占亚太地区毫米波频段预估贡献值的一半。

现阶段,关于推动毫米波的商业化落地,还有很多工作需要做。

一方面,改善毫米波覆盖能力的技术和方案还有待进一步研究和验证。毫米波频段相对于其它频段来说,还不够成熟,包括移动性管理能力等。毫米波的业务和组网也需要进一步验证。毫米波的设备体系还需要进一步完善。

另一方面,国内毫米波使用的频段急需明确(目前外场测试频段是24.75-27.5GHz)。频率是通信技术的先导,只有频率明确了,产业链才有清晰的方向指引,也有投入资源的信心。

此外,毫米波的商业落地,还需要产业界更加紧密的合作、政策上更为明确的支持,以及垂直行业更多的业务示范场景。

这些都不是一日之功,需要一年甚至几年的时间来逐步推进。

相信到了2022年,毫米波一定能够以更加成熟、更加完整的面貌与我们见面,再次掀起一股5G创新的热潮!

注:本文部分数据来自8月27日“GSMA毫米波技术深入解读研讨会”中的嘉宾分享。

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