为什么高通要说毫米波才是真5G？

为什么高通要说毫米波才是真5G？

3GPP规定了5G通信系统使用的两个频段，如图1所示，FR1通常被称为Sub-6GHz频段，而FR2通常被称为毫米波频段，从这个角度来看，“毫米波才是真5G”并不准确。



图1：5G通信系统频段

Sub-6GHz和毫米波各有优劣。

• Sub-6GHz频率较低，波长较长，传播过程中能量衰减较小，并且容易发生衍射现象，可以绕过障碍物等进行传播，因此传播距离较远。
  
• 毫米波频率较高，波长较短，传播过程中能量衰减较大，不易发生衍射现象，难以绕过障碍物等进行传播，因此传播距离较近，这意味着毫米波基站传播覆盖的范围较小，同时支持没有直射径的场景难度更大。
  

引用一组对比数据[1]：根据谷歌对相同范围内、相同基站数量的5G覆盖测试显示：
采用毫米波部署的5G网络，100Mbps速率的可以覆盖11.6%的人口，在1Gbps的速率下可以覆盖3.9%的人口；
采用Sub-6GHz频段的5G网络，100Mbps速率的网络可以覆盖57.4%的人口，在1Gbps的速率下可以覆盖21.2%的人口。
借助中低频5G基站，运营商可以实现更加广泛的网络覆盖，同时投入成本和运营成本也比较容易控制。但是：
Sub-6GHz频段频谱资源在包括中国、美国在内的大部分国家都非常紧缺。
Sub-6GHz频段可用带宽少于毫米波频段，比如3.5GHz频段只能用到100MHz或者200MHz的带宽，毫米波频段主流基站设备厂家已经支持通过载波聚合的方式实现800MHz的带宽，带宽越大通常意味着速率越大、容量越高，因此Sub-6GHz频段的速率相对而言较“慢”。3.5G 200M CA，单用户下行峰值速率可达3Gbps[2]，毫米波频段单用户下行峰值速率可达8Gbps[3][4]。
简单概括，当5G关注更加广泛的覆盖，可以重点考虑Sub-6GHz频段，当5G关注更加高速率的体验，可以重点考虑毫米波频段。不管是Sub-6GHz还是毫米波，对5G而言都是工具或者技术，没有任何一种工具或者技术是只有优势没有缺点的，只有两者相互配合、相互补充，才能离达成5G最初的愿景更进一步。
另外，美国C-band频段内的大量频谱资源被用于军用和国防通信，运营商难以使用这一部分频谱资源，也难以通过拍卖得到，因此在5G建设初期美国主要专注毫米波的部署。例如美国运营商Verizon，把毫米波频段作为5G初期的唯一战略，毫米波一网两用，既做FWA，也做eMBB。
而AT&T在2020年初以前，也以毫米波为主战略，主要做eMBB。但事与愿违，由于缺乏C-band，将毫米波定位为5G第一波频谱，低估了毫米波的技术瓶颈与建网成本，出现了前期投资规模大、效率低的情况，未形成大规模发展的优势。例如刚刚提到的AT&T，在2020年3月以后基本停止了毫米波投资。
相比之下，中国选择了Sub-6GHz的技术路线，兼顾了信号覆盖和穿透性，实际应用可以达到1Gbps的效果。由于美国第一波5G毫米波频谱商用情况整体不佳，加速了监管机构FCC对C-Band清频的节奏。这也启示我们要循序渐进发展毫米波，逐步从技术、标准、产业链等多方面培育成熟，将其作为5G中后期的规模商用频谱是更合理的节奏。

为了满足网络社会的需求，下一代 5G 蜂窝网络承诺在网络容量、数据速率和时延等方面带来革命性的改进， 显著提高网络的灵活性和效率。同时，网络运营商还期望降低现有的运营和基础设施成本。
要实现这些具有挑战性的目标，需要从各个角度对蜂窝生态系统进行广泛和多方面的改变，从芯片和器件到基站和小 信元，从前传和回程到网络管理和数据中心性能。为增强网络性能，通信行业将会开发和使用许多新技术， 如网络功能虚拟化（NFV）、自适应波束赋形和波束跟踪技术、与 4G LTE 网络的紧密集成，以及全新设计的 移动设备，但仅凭这些还不够。 完全实现 5G 愿景，需要更多频谱。尽管已经确定了更多 6 GHz 以下的频谱，并且在某些国家，这些频谱已 经分配给蜂窝通信使用，但是在 24 GHz 以上的厘米波和毫米波频段，还有更大块的连续频谱可以使用。
下图显示了全球各地为 5G NR（新空口）分配的一些候选毫米波频段。为方便起见，本文将 6 GHz 以上的频段 称作毫米波频段。 同时，通信行业也在考虑将 40 GHz 以上的频率用于宽带分配和回程等应用。尽管严格来说可能不算“5G”， 但在这些领域的工作正在进行当中，而且遇到了很多与 28 GHz 和 39 GHz 附近频段相似的挑战，这些工作将 推动目前 5G NR 的开发。


用于 6 GHz 以上 NR 部署的候选波形 （三星、SK 电讯、韩国电信、LG Uplus、NTT Docomo 公司，“R4-1704770：26.5-29.5 GHz 带内定义”， 3GPP，2017）
决策机构分配了如此多的新频谱数量，似乎为实现更高容量、更快数据速率和更低时延的通信提供了一条畅 通无阻的大道。然而，增加任何额外的毫米波频谱，都会带来一定的后果和折衷。毫米波器件加入到网络 中，将会使网络变得更加复杂，并且需要开发新的技术，同时也会产生新的辐射或空中（OTA）测试要求。
下面，我们了解一下5G 毫米波网络面临的技术挑战

毫米波上的信道探测和建模 了解真实环境中毫米波的传输属性，对于 5G NR 用户设备和基站（gNB）的核心设计至 关重要。随着波长变小，衍射、散射、材料穿透损耗以及自由路径损耗等物理过程综合起 来，让毫米波频段的信道特性与目前 6 GHz 以下频段显著不同。从 2G 到 4G，信道模型 历经多年发展，其主要基础是信道测量（探测），最初建立的是非空间模型，然后逐步演进到三维空间模型。
3GPP 在 0.5 至 100 GHz 频率范围内 [5] 对 5G 信道模型进行了研究，包括多种场景，例 如城市微场景、城市宏场景、室内场景、回程场景、设备到设备（D2D）场景、汽车到汽 车（V2V）场景和体育场场景。
3GPP 发展路线图
根据 GSMA 所描述和运营商所接受的要求，一个基本的原则是，该技术将支持每信元 10-20 Gbps 的传输速率，向用户提供的实际（或感知）下行链路带宽可能达到 1 Gbps， 时延小于 1 ms。这是一个重要的区别，因为 LTE 宣称具有很高的峰值数据速率，但最终 用户很少（如果有的话）体验到这一速率。甚至固定宽带网络也必须升级以应对这一挑战， 提供这些速率，进而提供所需的新体系结构。这表示网络必须 ： • 能够支持更庞大的数据量 • 安全 • 灵活有弹性，能够支持数以万亿计的设备（即物联网） • 适应应用而非排斥 要理解这些要求和所需的网络演进，最好是将其对应到 3GPP 的 2020 年国际移动通信系 统要求（IMT-2020）的各个阶段。其中包括两个阶段。
第 1 阶段主要关注现有 LTE 部署的 早期应用和演进，并与3GPP 第15 版保持一致。第15 版最初定义了一种非独立模式（NSA）， 其中 5G 通过 4G LTE 核心网络来实施。3GPP 于 2017 年 12 月制定了相应的标准。独立 模式预计将于 2018 年晚些时候最终发布的 3GPP 第 15 版中定义。
第 2 阶段最晚将在 2019 年定义。一些运营商声称，将在 2018 年底至 2019 年初实现 5G 的首次商业部署。 是否有测试体系结构可以支持这一技术迁移？回答这个问题的一种方法是通过用例而不是 技术本身。例如，为 10 个主要用户场景建模，并确定所需的体系结构。这一点很重要， 因为开发这些功能来验证（物联网）传感器、自动驾驶汽车、高清（HD）流媒体电影或者远 程手术有很大差异。端点快速出现和消失，蜂窝基站随着网络共享的增多而变得日益复杂， 甚至部署的无线系统和可视性通信本身所需的带宽也需要从全新的角度考虑。
而毫米波信道中的空间集群数量和每个集群的多径分量，以 及空间动态都对网络组件的设计有着深远影响。例如，如果信道模型定义了一个空间宽松 的信道，那么天线波形控制要求就不那么重要，并且有很多本征模可以用于单用户 MIMO （SU-MIMO），但加入如此多的多径信号，会产生快速衰落，而且变得非常复杂。另一 方面，一个比较稀疏的信道只包含很少的本征模，衰落较小，但需要更好的波束控制。正 因为如此，实际的信道建模对器件设计和定义真实有用的测试用例都非常重要。
发布后，企业、大学和政府机构开展了持续不断的毫米波信道建模活动，旨在更好地 了解毫米波信道及其特性。 路径损耗建模 如果忽略大气效应，那么发射机和接收机在通过自由空间进行通信时的接收功率是多少， 可以很方便地利用弗林斯（Friis）传输公式 [6] 计算出来（见公式 1）。


其中，Pr 为接收功率，Pt 为发射功率，R 为发射机和接收机之间的距离，f 为频率，c 为 光速，Gt 为发射机天线增益，而 Gr 为接收机天线增益。 因此，Pr 与频率 f 的平方成反比。
例如，天线增益相同时，从 3 GHz 转移到 30 GHz，路 径损耗会增加 20 dB，如果不解决这个问题，网络性能会受到严重影响。除了自由空间路 径损耗之外，毫米波的 OTA 通信还需要考虑大气吸收、湿度、阻塞、降水和其他因素的 影响，因为这些因素会增加发射机与接收机之间的有效路径损耗。对于室内信道，路径损 耗没那么重要，但需要减少其他效应（比如阻塞高压）的影响。
为了应对毫米波频率上额外的路径损耗，通常采用的办法是增加增益，进而增强天线的方 向性。5G 网络基站配备的天线其方向性可能 > 20 dBi，而 5G 用户设备（UE）预计也会 配备方向性天线，只不过其方向性可能更适中。[3GPP，“TSG RAN TR 38.803 v14.1.0‘新无线接入技术研究：射频（RF）和共存方面’”，2017] 中的 3GPP 共存研究假设 gNB 方向性 为 30 dBi，用户设备的方向性为 25 dBi，但用户设备的实际方向性可能会低得多，
除非在固定无线接入应用中。除了应对毫米波信道的路径损耗，方向性还支持信道的空间 重用，使 gNB 可以利用空间分离波束在一个信元中支持多个用户。方向性的另一个好处 是减少对网络中相邻信元的干扰，通常能够提高频谱效率。因此，使用毫米波频率的 5G 网络将会要求基站和用户设备控制彼此发送和接收的相对较窄的波束，（并通过反射表 面）优化链路预算，实现高效通信。开发相应的协议，使基站和用户设备能够相互查找和 跟踪并执行信元间切换，是 5G 毫米波通信遇到的关键技术挑战。
相控阵技术、波束赋形和波束控制

相控阵的基本工作原理
对于创建窄波束（波束赋形）并将其动态指向目标方向（波束控制）来说，相控阵天线 [C. Balanis，在《天线理论》中，John Wiley 和 Sons，1997，309-321 页。] 是一种实用和低成本的方式。这样无需机械运动即可实现波束控制，这应当就是基站 和用户设备所使用的毫米波天线的工作原理。相控阵天线是由一组较小的天线单元组成， 比如单个贴片或偶极。通过改变施加到各个单元的信号的相对相位和幅度，天线阵列可以 在选定方向上形成和控制一个波束。
下图显示了相控阵的基本工作原理
发射机（Tx）中的信号分配给多个天线单元。控制移相器调节每个单元所发射的信号的分相，进而支持 以可变角度形成波束。


相控阵的基本工作原理
通信行业考虑采用三种波束赋形体系结构来构建 5G 网络：数字体系结构（在基带中实现）、 模拟体系结构（在中频或射频中实现）和混合体系结构 [10]。每种体系结构都有其优缺点。因 为成本和功率的原因，用户设备中的波束赋形预计会采用模拟体系结构，而基站中的波束赋形 可以采用模拟、数字或混合体系结构。
下图显示了波束从采用迫零预编码的 50 单元线性阵列传播的时域双工（TDD）仿真。向目标 用户设备发射的是各个波束，而向其他用户设备和干扰源发射的是零值（null）。


仿真：2D 相控阵向目标用户设备发射波束，而非目标用户设备方向无发射波束
无线电和天线集成，无需使用射频连接器
很多因素促成了 5G 毫米波器件集成度的提升。这些因素相互关联，并且受到高频率、大量天 线单元、减少信号路径衰减需求，以及降低成本需求的共同驱动。集成度提高带来的一个重要 后果就是，在无线分布式网络电路与天线系统之间的边界上再也不可能实现传统的射频连接 器。将毫米波信号从无线网络传送到天线所采用的分布式网络必须特别紧凑，尤其是在手持 式设备和其他用户设备中。因此，5G 毫米波器件的收发信机系统直接集成到天线阵列中，如下图所示。在此类器件中，不再有可供传导测试使用的连接器或探测点；相反，大多数测试 现在必须通过 OTA 方式实现。


印制电路板的两面，从中可见 28 GHz RFIC 与天线阵列高度集成。图片由加州大学圣迭戈分校 G. Rebeiz 教授 提供。[K. Kibaroglu、M. Sayginer 和 G. Rebeiz，“超低成本 32 单元 28 GHz 相控阵收发信机”， IEEE 射频集成电路研讨会，2017 ]
器件校准
在对相控阵器件（收发路径）的相位和增益状态进行 OTA 校准时，确定适当的校准方法 是一项关键的研发活动，必要时将会以 OTA 方式执行。校准的作用是确保用户设备和基 站发射的波束在要求的指向角范围内产生正确的波束宽度或增益；确保满足功率输出限 制；以及波束赋形特性正常运行。此类特性包括高低分辨率扫描操作、扫描角度的精度， 以及增益平稳度补偿。
选择哪种方法进行 OTA 校准，取决于设备体系结构和设备的控制接口。例如，如果可以 单独控制每个天线单元，那么就可以测量和校正天线单元之间的相对相位。如果只能以块 或行的形式控制天线单元，那么就需要更复杂的校准例程。
采用 OTA 新方法测试毫米波 5G 的意义
前面部分已经说明，在 5G NR 系统中应用毫米波频率会增加网络设备以及无线接入网自 身运行的复杂性。从研发到一致性测试、生产、安装和维护，测试系统在 5G NR 的开发和验证过程中起着至关重要的作用。无线部分与天线的高度集成意味着，很多测试都将以 OTA 方式进行，而众多不同的测试需求（功能、精度、体积和成本）需要相应的一系列灵活测试解决方案。
需要详细的5G 毫米波解决方案，您可下载：
5G毫米波NR测试解决方案更多信息，您可浏览：
应对毫米波信号分析挑战本文讨论了应对当今和未来毫米波应用的测试挑战时所需注意的事项。
组合使用射频测试工具许多正在开发的新毫米波（mmWave）技术的工作带宽都已经超出信号分析仪的直接测量范围。新兴的 MIMO（多路输入/多路输出）技术也需要进行相位相干和多通道分析。这意味着我们需要调整相应的测试策略。这一转变将会给全球的射频工程师带来巨大影响，示波器的作用势必会凸显出来，成为必不可少的射频测试工具。
是德科技

目前，5G已经成为了生活中的热词，越来越多人已经用上了5G手机和5G网络，感受到它超快的网速。不过，5G目前尚属于初步发展阶段，还有很多的技术和设备并没有运用到实际生活中，这其中就包含毫米波。





毫米波就是波长为1-10毫米的电磁波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，目前24.75-27.5GHz, 37-42.5GHz是中国主推的毫米波频段。运用在通信中，它有着极宽的带宽、波束窄、安全保密好、传输质量高等优势，相较于目前应用较多Sub-6GHz频段的厘米波要强上许多，所以也就流传出“不支持毫米波就不是真5G”这句话，下面就详细介绍一下毫米波。




毫米波的优劣势
上面也说了，毫米波最大的优势就是更宽的带宽，根据香农公式来看，带宽越大信道容量也就越大，通信速率也就变得越快，这就表示我们可以使用的网速越快。并且目前使用的sub-6GHz频段的设备已经非常多了，很容易受到干扰，而毫米波频段则相对干净很多。此外，毫米波还可以应用在车联网上，远程控制、自动驾驶等技术都需要足够的带宽和速度才能够实现，这些都需要毫米波的加入，甚至毫米波可以达到厘米级别的定位精度。




虽然毫米波如此强悍，但是至今并没有大范围推广的原因，就是因为它的两个缺陷目前没有很好的办法解决。一个是毫米波由于传播耗损太大，所以并不能传播太远，这就需要建立更多的5G基站，提高基站密度才能解决，不过这需要的成本过高。还有一点就是它对于雨雪等恶劣天气宽容度太小，太容易受到干扰，造成是衰减，甚至是sub-6GHz信号的上百倍之多。




毫米波的现状
目前来说，仅有美国对毫米波进行商用。因为无线电频谱资源是有限，而美国军方技术非常发达，所以就占用了大量的sub-6GHz频段，导致商用频段较少。而当5G商用技术发展成熟时，sub-6GHz信号频段不够用了，所以只能进行推广毫米波技术。




而像中国或者其他国家，由于sub-6GHz信号频段并没有被大量占用，所以在5G发展前期阶段，都在使用sub-6GHz信号，这可以大幅度缩减成本。目前除了高通处理器外，其他的例如麒麟、联发科处理器并不支持毫米波。
毫米波的未来趋势
毫米波无疑是5G的未来趋势，其超宽的带宽所带来的优势还是其他频段做不到的，所以它一定是5G发展的下一个阶段。




连一直被吐槽不支持毫米波的华为，其创始人任正非也在采访中说过：“毫米波就是你多加一倍的钱，带宽可以加一百倍，就是一秒钟可以下载几十部高清视频。”更是总结出5G后半场看毫米波的结论，这足以说明毫米波可观的未来趋势。




就在上个月，我国也成功研发成功高容量的毫米波5G芯片，并力争2022年规模上用于5G系统。目前中国移动等运营商也在积极参与到毫米波项目中。
虽然毫米波是来趋势，但是凭借目前的技术很难做到大规模普及，连苹果在今年推出毫米波的5G手机时，未也会减少一定的出货量。而基站和产业链的普及更是一个过程，所以5G发展仍然在进行中，而毫米波必将是各厂商下一个努力的目标。所以那句“不支持毫米波就不是真5G”也是因为商业竞争，对于目前来说，在国内并没有太大的实际意义。

6 月 15 日，中国工程院院士刘韵洁表示，南京网络通讯与安全紫金山实验室已研制出 CMOS 毫米波全集成 4 通道相控阵芯片，并完成了芯片封装和测试，每通道成本由 1000 元降至 20 元。

因为美国5G计划有一个天然的劣势，就是美国的厘米波早已经被军方占用，不得不使用信号覆盖范围差、成本更大的毫米波。高通为了支持美国5G毫米波计划，无奈只能在基带加入毫米波这个当前除美国以外基本上是废物功能，芯片很大，天线也大，导致方案不好。而华为和联发科等厂商就根本不用理会美国，直接集成了不含毫米波的5G SOC，大大方便了手机设计和降低能耗。
至于说毫米波才是真5G的说法只能用传输速度比厘米波要更快来说事了！但任何商用技术要得到普及的话，成本、效益不能不作考虑！
作为超级大国的美国要普及毫米波5G也会吃不消！现在美国军方不罕见地说要共享厘米波段吗？