為什么5G要使用毫米波？

根據(jù)3GPP 38.101協(xié)議的規(guī)定,5G NR主要使用兩段頻率:FR1頻段和FR2頻段。FR1頻段的頻率范圍是450MHz——6GHz,又叫sub 6GHz頻段;FR2頻段的頻率范圍是24.25GHz——52.6GHz,人們通常叫它毫米波(mmWave)。

    有人認(rèn)為,毫米波(mmWave)只能指EHF頻段,即頻率范圍是30GHz——300GHz的電磁波。因?yàn)?0GHz電磁波的波長是10毫米,300GHz電磁波的波長是1毫米。24.25GHz電磁波的波長是12.37毫米,可以叫它毫米波,也可以叫它厘米波。但是實(shí)際上,毫米波只是個約定俗成的名稱,沒有哪個組織對其有過嚴(yán)格的定義。有人認(rèn)為,頻率范圍在20GHz(波長15毫米)——300GHz之間的電磁波都可以算毫米波。

    在很長一段歷史時期,毫米波段屬于蠻荒之地。為什么呢?原因很簡單,因?yàn)閹缀鯖]有電子元件或設(shè)備能夠發(fā)送或者接收毫米波。為什么沒有電子設(shè)備發(fā)送或者接收毫米波?有兩個原因。第一個原因是,毫米波不實(shí)用。雖然毫米波能提供更大的帶寬,更高的數(shù)據(jù)速率,但是以前的移動應(yīng)用不需要這么大的帶寬和這么高的數(shù)據(jù)速率,毫米波沒有市場需求。而且毫米波還有一些明顯的限制,比如傳播損耗太大,覆蓋范圍太小等等。第二個原因是,毫米波太貴。生產(chǎn)能工作于毫米波頻段的亞微米尺寸的集成電路元件一直是一大挑戰(zhàn)?？朔鞑p耗、提高覆蓋范圍也意味著大把的金錢投入。但是,近十幾年以來,一切都改變了。

    隨著移動通信的飛速發(fā)展,30GHz之內(nèi)的頻率資源幾乎被用完了。各國政府和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)把所有的“好”頻率都分配完畢,但還是存在頻率短缺和頻率沖突。4G蜂窩系統(tǒng)的發(fā)展以及即將到來5G都依賴于合適的頻率分配。問題是,幾乎沒剩下什么頻率了?，F(xiàn)在,頻率就像房子,可以用一個字來形容,“貴”!對房子來說,第一是地段,第二是地段,第三還是地段。這樣的描述同樣適用于無線頻率。

    毫米波就像美洲新大陸,給移動用戶和移動運(yùn)營商提供了“無窮無盡”的頻率資源。你可以把現(xiàn)在我們使用的所有sub 30GHz頻段填到毫米波段的低端區(qū)域,還有至少240GHz的空閑頻率。

  毫米波帶來了大帶寬和高速率?；趕ub6GHz頻段的4G LTE蜂窩系統(tǒng)可以使用的最大帶寬是100MHz,數(shù)據(jù)速率不超過1Gbps。而在毫米波頻段,移動應(yīng)用可以使用的最大帶寬是400MHz,數(shù)據(jù)速率高達(dá)10Gbps甚至更多。

  需求總是創(chuàng)新的最大動力。生產(chǎn)出價廉物美的毫米波頻段集成電路元件的技術(shù)難題迅速被攻克。通過使用SiGe、GaAs、InP、GaN等新材料,以及新的生產(chǎn)工藝,工作于毫米波段的芯片上已經(jīng)集成了小至幾十甚至幾納米的晶體管,大大降低了成本。

   現(xiàn)在我們能夠隨意使用20GHz到300GHz之間的任意毫米波嗎?還不是。有人把常用的毫米波段分成四段:Ka波段26.5GHz~ 40GHz;Q波段:33GHz~50GHz;V波段:50GHz~70GHz;W波段:75GHz~ 110GHz。3GPP協(xié)議38.101-2 Table 5.2-1為5G NR FR2波段定義了3段頻率,分別是:n257(26.5GHz~29.5GHz),n258(24.25GHz~27.5GHz)和n260(37GHz~40GHz),都使用TDD制式。美國FCC則建議5G NR使用以下頻段:24-25 GHz (24.25-24.45/24.75-25.25 GHz)、32GHz (31.8-33.4 GHz)、42 GHz (42-42.5 GHz)、48 GHz (47.2-50.2 GHz)、51 GHz (50.4-52.6GHz)、70 GHz (71-76 GHz)和80 GHz(81-86 GHz),同時建議研究用高于95GHz的頻率來承載5G。

  為什么不能隨意使用毫米波頻率呢?除了規(guī)?；?jīng)濟(jì)效益的考慮之外,毫米波中有些頻率的“地段”特別差。這里,影響“地段”的因素是空氣,所以確切地說應(yīng)該是這些頻率的“天段”特別差。無線電波在傳播時,大氣會選擇性地吸收某些頻率(波長)的電磁波,造成這些電磁波的傳播損耗特別嚴(yán)重。吸收電磁波的主要是兩種大氣成分:氧氣和水蒸氣。水蒸氣引起的共振會吸收22GHz和183 GHz附近的電磁波,而氧氣的共振吸收影響的是60GHz和120 GHz附近的電磁波。所以我們可以看到,不管哪個組織分配毫米波資源,都會避開這4個頻率附近的頻段。而高于95GHz的毫米波由于技術(shù)上的難度,暫時還不做考慮。

    除了這個只能避開的“天段”因素,毫米波的其它限制我們只能面對,并且想辦法克服。否則,毫米波就無法使用。

   最關(guān)鍵的限制之一是毫米波的傳播距離實(shí)在有限。物理定律告訴我們,在發(fā)射功率不變的情況下,波長越短,傳播距離越短。在很多場景下,這個限制會導(dǎo)致毫米波的傳播距離超不過10米。根據(jù)理想化的自由空間傳播損耗公式,傳播損耗L=92.4+20log(f)+20log(R),其中f是單位為GHz的頻率,R是單位為公里的距離,而L的單位是dB。一個70GHz的毫米波傳播10米遠(yuǎn)之后,損耗就達(dá)到了89.3dB。而在非理想的傳播條件下,傳播損耗還要大得多。毫米波系統(tǒng)的開發(fā)者必須通過提高發(fā)射功率、提高天線增益、提高接收靈敏度等方法來補(bǔ)償這么大的傳播損耗。

   任何事物都有兩面性。傳播距離過小有時候反而成了毫米波系統(tǒng)的優(yōu)勢。比如,它能夠減少毫米波信號之間的干擾。毫米波系統(tǒng)使用的高增益天線同時具有較好的方向性,這也進(jìn)一步消除了干擾。這樣的窄波束天線既提高了功率,又?jǐn)U大了覆蓋范圍,同時增強(qiáng)了安全性,降低了信號被截聽的概率。

   另外,“高頻率”這個限制因素會減少天線的尺寸,這又是一個意外的驚喜。假設(shè)我們使用的天線尺寸相對無線波長是固定的,比如1/2波長或者1/4波長,那么載波頻率提高意味著天線變得越來越小。比如說,一個900M GSM天線的長度是幾十厘米左右,而毫米波天線可能只有幾毫米。這就是說,在同樣的空間里,我們可以塞入越來越多的高頻段天線?；谶@個事實(shí),我們就可以通過增加天線數(shù)量來補(bǔ)償高頻路徑損耗,而又不會增加天線陣列的尺寸。這讓在5G毫米波系統(tǒng)中使用massive MIMO技術(shù)成為可能。

   克服了這些限制之后,工作于毫米波的5G系統(tǒng)可以提供很多4G無法提供的業(yè)務(wù),比如高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、無線基站回程(backhaul)、短距離雷達(dá)探測、密集城區(qū)信息服務(wù)、體育場/音樂會/購物中心無線通信服務(wù)、工廠自動化控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、安全監(jiān)控、智能交通系統(tǒng)、機(jī)場安全檢查等等。毫米波段的開發(fā)利用,為5G應(yīng)用提供了廣闊的空間和無限的想象。

    由于3GPP決定5G NR繼續(xù)使用OFDM技術(shù),因此相比4G而言,5G并沒有顛覆性的技術(shù)革新,而毫米波差不多就成了5G最大的“新意”。而5G其它新技術(shù)的引入,比如massive MIMO、新的numerology(子載波間隔等)、LDPC/Polar碼等等,都與毫米波密切相關(guān),都是為了讓OFDM技術(shù)能更好地擴(kuò)展到毫米波段。為了適應(yīng)毫米波的大帶寬特征,5G定義了多個子載波間隔,其中較大的子載波間隔(60KHz和120KHz)就是專門為毫米波設(shè)計的。前面提到過的massive MIMO技術(shù)也是為毫米波而量身定制。因此,5G 也可以被稱為“擴(kuò)展到毫米波的增強(qiáng)型4G”或者“擴(kuò)展到毫米波的增強(qiáng)型LTE”。

   如果有一天毫米波也擁塞了,移動通信系統(tǒng)該如何拓展新疆域呢?如果波長小于1毫米的話,就進(jìn)入了光的波段范圍(紅外波段的波長范圍是0.76微米~1毫米)。實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)開發(fā)出了100GHz以上的晶體管。但是這種晶體管到300GHz左右就基本上沒用了。那么該用什么電子元件呢?紅外線工作于150THz~430THz,可見光工作于430THz~750THz,紫外線工作于740GHz以上,激光器件、LED和二極管能夠生成和檢測到這些光。但是這些器件沒法工作于300GHz~100THz的頻率范圍。這個頻率范圍目前似乎成了盲區(qū)。但是,這個現(xiàn)象是暫時的。只要有需求,新科技和新元器件一定會消除這個盲區(qū)。

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