5G路上，繞不開的毫米波

　　“移動(dòng)通信要發(fā)展，頻譜資源需先行”，這是通信產(chǎn)業(yè)的共識(shí)，畢竟頻譜資源之于移動(dòng)通信，就像土地之于房地產(chǎn)。

　　而對(duì)于5G時(shí)代，除了目前中國正在部署的Sub-6GHz頻段，還有一塊“寶地”，能夠給用戶帶來區(qū)別于4G的超高速低時(shí)延的體驗(yàn)，那就是毫米波。毫米波到底有多火，我們可以先簡單梳理一下各國關(guān)于“毫米波”的最新動(dòng)向：

　　去年 11 月，美國率先釋放并完成了三個(gè)高頻頻譜的拍賣工作，并宣布集中重點(diǎn)發(fā)展 28GHz 毫米波。韓英德等國也相繼完成了高頻頻段的頻譜拍賣，日本也將于今年 3 月分配和美韓波段一樣的高頻段毫米波頻譜。而中國則在去年確定了高中低頻段聯(lián)合組網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，并完成中頻段頻譜的劃撥，關(guān)于毫米波優(yōu)先研究的規(guī)劃意見也已經(jīng)啟動(dòng);2019 年 2 月，工信部無線電管理局發(fā)布《2019年全國無線電管理工作要點(diǎn)》，其中特別提到要適時(shí)發(fā)布 5G 系統(tǒng)部分毫米波頻段頻率使用規(guī)劃，引導(dǎo) 5G 系統(tǒng)毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展......

　　不僅各國政府如此，企業(yè)也非常重視“毫米波”：芯片巨頭高通不止一次對(duì)外談到“毫米波”的重要性;華為任正非接受央視專訪時(shí)也重點(diǎn)提到“微波”(也就是毫米波);AT&T、Verizon、Sprint、T-Mobile 等運(yùn)營商也開始大力購買高頻頻譜。

　　5G 的建設(shè)為什么如此重視“毫米波”?一些評(píng)論者用房地產(chǎn)來類比，高呼“毫米波就是還未開發(fā)的 5G 黃金地段”，或“毫米波是5G的‘高速公路’”。

　　集萬眾寵愛于一身，毫米波究竟是何方神圣又有何厲害之處，我們不妨用一篇文章探秘。

　　遇見毫米波

　　要想搞清楚毫米波是什么之前，先要了解無線電頻譜、頻段、頻率、頻道之間的關(guān)系。

　　頻譜，你可以理解為記錄無線電的不同振蕩幅度與不同頻率而繪成的圖，就像樂譜記錄音樂旋律一樣;頻段，是指一段連續(xù)的頻率范圍(寬度)，由于頻率一般從 0MHZ～300GHZ，因此可以被分成若干個(gè)頻段，可大可小(比如 30MHZ～300MHZ 頻段被稱為HF頻段，也就是毫米波頻段);頻率，就是每秒振蕩的次數(shù)(這個(gè)可以從物理學(xué)角度看，反映振動(dòng)現(xiàn)象最基本的物理量就是頻率);頻道，可以是兩個(gè)頻率組成的一條通道(就像公路上根據(jù)車寬劃出的4車道、6車道一樣)，每條通道是雙向的，一條收信息，一條發(fā)信息，典型的頻道是頻率的組合利用?？偠灾?，頻率是度量尺度，頻譜是信號(hào)，頻段、頻道是信道媒介(相當(dāng)于“路”)。

　　圖：無線電的波段劃分(來源/百度百科)

　　而無線通信，不管是音頻、語音、視頻、還是文件(統(tǒng)稱為“信息數(shù)據(jù)”)，要想傳播出去，需要把基帶的數(shù)據(jù)調(diào)制到一個(gè)射頻頻段，才能夠發(fā)射出去，這是無線通信命名的初衷。

　　因此，我們需要一個(gè)無線的頻譜，來把這些數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制搬到頻譜上，才能夠從天線發(fā)射出去，之后網(wǎng)絡(luò)才能接收到。反之亦然，網(wǎng)絡(luò)能發(fā)射信號(hào)，手機(jī)才能接收信號(hào)。

　　所謂毫米波(millimeter wave，簡稱“mmWave”)，指的是波長在 1～10 毫米之間的電磁波，剛才也提到了，通常對(duì)應(yīng)于 30GHz～300GHz 之間的無線電頻譜，大家可以根據(jù)上邊的表格看一下，它是一種頻率比較高的電波。

　　據(jù)公開資料顯示，人類對(duì)毫米波技術(shù)的涉足，可以追溯到19世紀(jì)90年代，但毫米波技術(shù)在最初的約半個(gè)世紀(jì)里僅僅活躍在實(shí)驗(yàn)室里;直到20 世紀(jì)60年代，毫米波才在射電天文學(xué)中開始早期應(yīng)用;20世紀(jì)70年代，由于毫米波集成電路和毫米波固體器件成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，毫米波通訊隨之發(fā)展;20世紀(jì)90年代，互聯(lián)網(wǎng)、無線電通信、汽車?yán)走_(dá)等業(yè)務(wù)量的爆發(fā)，推動(dòng)了毫米波民用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

　　毫米波的優(yōu)勢(shì)非常明顯。相對(duì)于分米波、厘米波，毫米波的頻率更高，而通常電波的頻率越高，支撐的數(shù)據(jù)傳輸速度就更快，就如同人的語速一樣，在同一時(shí)間內(nèi)，語速越快，信息的傳達(dá)就越多;另外，由于天線長度與波長成正比，因此毫米波更短的波長，也讓天線變得更短，可以更好地應(yīng)用于各種場(chǎng)景;

　　5G，毫米波的“新大陸”

　　盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，一直以來，毫米波的應(yīng)用范圍卻主要集中在雷達(dá)、制導(dǎo)、遙感、輻射測(cè)量等軍事領(lǐng)域，沒有用于民用的移動(dòng)通信。很長一段時(shí)期以來，毫米波頻段對(duì)于電信產(chǎn)業(yè)而言，都是“蠻荒之地”。

　　當(dāng)中有一些是產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題：其一，在5G時(shí)代以前，毫米波缺乏市場(chǎng)需求，以前的移動(dòng)應(yīng)用并不需要這么大的帶寬和這么高的數(shù)據(jù)速率;其二，毫米波太貴，要克服傳播損耗、提高覆蓋范圍，需要大量的金錢投入;其三，毫米波因?yàn)轭l譜高、帶寬大、速率高，技術(shù)相對(duì)不夠成熟。

　　此外，毫米波本身也有一些天然短板：傳輸過程中信號(hào)損耗大，易受阻擋，覆蓋距離短——這些固有弱點(diǎn)，讓業(yè)界很多人認(rèn)為，毫米波難以支持終端的移動(dòng)化特性。這里要多解釋一下毫米波的傳播損耗和信號(hào)覆蓋的問題，要把毫米波運(yùn)用于 5G ，這是核心難點(diǎn)所在，因?yàn)轭l率越高，能量散發(fā)就越快，傳輸就越困難，信號(hào)越容易衰減。對(duì)應(yīng)到移動(dòng)通信來說，就是信號(hào)越差。

　　我們同樣也可以舉例來說明。大家都知道聲波和光波，這兩種波就分別屬于低頻率波——聲波，和高頻率波——光波。我們?nèi)绻糁欢聣?duì)另外一個(gè)人說話，頻率更低的聲波是可以繞過圍墻讓對(duì)方聽到的，但是你卻看不見對(duì)方這個(gè)人，因?yàn)閺膶?duì)方反射的光波被墻擋住了，無法傳輸過來。毫米波的信號(hào)衰減問題也與此類似。

　　更雪上加霜的是，毫米波內(nèi)有一部分頻譜，已經(jīng)被諸如衛(wèi)星和其他廣播使用，而余下的包括 28GHz、39GHz、75GHz等在內(nèi)的空閑毫米波頻譜，是毫米波中的更高頻段。

　　所以之前的2G時(shí)代(GSM、CDMA)，3G時(shí)代(CDMA 、WCDMA)，到4G時(shí)代(FDD-LTE、TD-LTE)，使用的頻譜基本都是 6GHz 以下的——這些是當(dāng)時(shí)最優(yōu)的頻譜：首先它們傳輸性能很好(過去幾十年里，這些頻譜都是緊著無線通信先用);其次它們對(duì)器件的要求也較低。一切都按部就班進(jìn)行著。

　　但是隨著網(wǎng)絡(luò)終端的增長和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及，低頻段日趨飽和，也就是“土地”不夠用了。眼看之前的頻譜資源就像市中心的房子一樣捉襟見肘，這時(shí)候，毫米波無疑像一塊具有豐富資源的新大陸吸引著人們的目光，盡管毫米波有這樣那樣的問題，但其自身無法忽視的大帶寬高速率的優(yōu)勢(shì)以及Sub-6頻段資源緊缺的現(xiàn)狀讓毫米波成為了5G時(shí)代的新亮點(diǎn)。