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2020年4月20日 星期一

5G Millimeter Wave

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來源:爱活网


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編者按:隨著華為推出折疊螢幕手機,5G 網路全面普及的步伐也在加快。5G 網路的全面覆蓋,人們對於頻寬也會提出更高的要求。行動通訊發展的幾十年來,6GHz 以下頻段使最為常用的。

但 5G 的到來使發生了改變,相較於 LTE 所採用的 6GHz 以下頻段,毫米波天生的技術優勢,讓人沒有再拒絕的可能。在頻譜資源日漸稀缺的當下,毫米波技術最終也將登上歷史舞台,承擔起提供更優質網路的重任。

根據 3GPP 的協議劃定,5G 網路未來將會主要使用兩段頻率—— FR1 頻段和 FR2 頻段。其中 FR1 頻段的範圍為 450MHz-6GHz,我們通常將它稱之為 6GHz 以下頻段而另一個 FR2 頻段,則集中於 24.25GHz 至 52.6 GHz,外界普遍會以「毫米波」來稱呼。

對於 6GHz 以下頻段,業界已經非常熟悉了,事實上當前 LTE網路都運行於 6GHz 以下頻段,長久以來人類的行動網路的發展,都以此為基礎。然而毫米波對於許多人而言,卻是陌生的名詞,但無論從哪方面來討論,若要實現暢想的 5G 互聯時代,毫米波技術的推進將會是關鍵。

毫米波曾是蠻荒之地,但現在它卻是通向5G最好的橋梁
在行動通信發展的 30 年間,毫米波一直都是一片未經開墾的蠻荒之地,雖然諸如高通、愛立信在內的通信巨頭的實驗室,都對它持續地投入研究,但毫米波卻沒有真正走入我們的生活,而這也是市場與技術共同造成的結果。

首先,過去人類對於移動通信的頻寬要求並不高,在光纖傳輸都只有 512K,甚至更低的年代裡,毫米波技術所提供的高頻寬,對於設備實用性優先,6GHz 以下的窄頻寬,已經足夠滿足需求。

同時,由於毫米波技術的高頻特點,毫米波本身的傳播距離相較於低頻段更短,營運商需要實現大規模覆蓋,往往需要投入更多的成本。因此在頻譜資源的尚未緊張的年代裡,毫米波自然不是利用的首選。

5G网络将在6GHz以及毫米波频段运行


並且一直以來,支持毫米波的整合電路投入成本更高,它所需要克服的環境因素也更多,營運商在搭建基礎網路時,往往更考慮成本因素,以及覆蓋的回報價值,直到 2017 年的一個里程碑事件,高通通過一系列實際落地實驗,證明瞭毫米波在城市之間部署的可行性。但在那之前,要讓營運商以及終端廠商,支持毫米波技術幾乎是天方夜譚。

但這一切都因為 5G 的到來發生了改變,相較於 LTE 所採用的 6GHz 以下頻段,毫米波天生的技術優勢,讓人沒有再拒絕的可能。從頻寬來看,6GHz 頻段以下的LTE,最大可用頻寬僅為 100MHz,這意味著數據速率,至高只能滿足 1Gbps 的下行。但毫米波頻段行動應用,最大頻寬達到了 400MHz,傳輸速率能夠達到 10Gbps 甚至更多,在以快為先的 5G 時代,這樣的頻寬表現,才能滿足用戶的期待。

5G连接场景,图片来源于infinecon

其次,毫米波本身的頻譜資源也更為豐富。隨著 30 年的發展, 30Ghz 之內的頻譜資源,幾乎已經消耗殆盡,LTE 以及廣播電視網路,以及被營運商以及各個機構瓜分,要想從中開墾良田供給 5G 的難度會非常高。

現如今幾乎全球的營運商,正在面臨頻譜資源短缺的問題, LTE 與 5G 的衝突已經愈發明顯,因此此時未經開墾的毫米波,就成了行動通信行業的「新大陸」,它仍有廣闊的空間留給營運商。

同時以技術來看,毫米波曾經的技術「缺陷」,現如今也能成為優勢。要知道頻段越高,對於接收天線的尺寸要求就會越低。這意味對於支持毫米波的終端而言,機身內部的接收天線可以做得比以往更小,而對於沒有尺寸限制的終端,也可以在原先的技術上,容納更多的高頻段天線,從而獲得更好的接受效果。

更為重要的是,毫米波本身由於傳播距離,比 6GHz 以下頻率更短,因此在整個傳播路徑下,它的定向性將會更具優勢,這使得毫米波信號間,受到干擾的可能性,將會變得更小,傳播的精度有所提高。

另外,窄波束本身由於傳播距離短,它被遠距離截獲的可能性將變得更低,在通訊安全方面,也有著無可比擬的優勢。

當然嚴格來說,所謂的毫米波(mmWave)更確切的是指 EHF 頻段,它是頻率範圍橫跨 30GHz 至 300GHz 的電磁波,如果從波長來定義,30GHz 的電磁波波長為 10 毫米,而 300GHz 的電磁波波長則僅為 1 毫米。

但根據 FR2 頻段的播放來計算,24.25GHz 的波長已經超過 10 毫米,雖然我們將它稱作毫米波,但許多人認為它更應該划入釐米波的範疇。

不過由於世界並沒有組織,對毫米波下達過明確的定義,因此從廣義認同的界限來看,FR2 頻段算作毫米波也無傷大雅。 可以說,毫米波曾是蠻荒之地,但它現在卻是我們通向 5G 最好的橋梁。

毫米波不再是紙面技術,它正在成為「現實」
毫無疑問,隨著 5G 商用的真正來臨,毫米波也早已不是空洞的紙面技術,它也早已經是真正可用的現實,而這其中,不得不提到,高通對於毫米波技術發展的貢獻。事實上從上世紀 90 年代開始,高通就一直致力於新興行動通信技術的研發投入,毫米波正是技術推進中的眾多技術之一。

不過和所有技術的推動一樣,毫米波技術真正實現商用化,也經歷了長達近 30 年的努力,就像前文敘述的那樣,它不僅要克服高頻信號本身對於遮蔽的弱勢,同時也要給終端廠商,以及營運商提供一套切實的可用方案。

而高通則成了第一個,實現這兩點的通訊方案供應商,在 2016 年的巴塞隆納世界行動通信大會上,這家美國公司首次向世界,展示了波束導向支持的非視距毫米波行動性試驗,在測試中,基於毫米波技術的 5G 自適應波束賦形,和波束追蹤技術可以在真實環境中,提供穩健的行動寬頻通信。

這意味著以往桎梏著毫米波,在行動通訊行業商用的鎖鏈,終於被打破,緊接著一系列商用實驗也接連證明,即便行進的測試設備處於移動狀態,亦或是在牆體密集的環境中,終端本身依舊可以實現多個基地台的快速信號切換。


经过大量的测试后,高通终于打破了以往桎梏着毫米波在移动通讯行业商用的锁链


同時,針對終端廠商,毫米波的落地也在同一時間進入了倒計時。因為在 2016 年 10 月,X50 5G 調制解調器正式現身,這是業界第一款完整提供毫米波,以及 6GHz 以下鏈接的 5G 晶片,它的登場加速了業界,對於 5G 網路商用的測試速度,進一步推動了整體 5G 發展的步伐。

關於毫米波,最大的反對聲音在於,高頻信號傳輸距離較短,並且容易被物體影響,因此需要使用大量的小型基地台,來提升信號的覆蓋。

而這對於大多數營運商而言是不可取的,因為這會帶來可預見的成本問題,部署更多基地台意味著,行動營運商需要更多時間和投入,才能收回成本。

但高通卻不這麼認為,在它看來毫米波技術本身的高覆蓋,會幫助營運商進一步降低成本,事實上早在 2017 年,高通就已經透過仿真實驗,證明瞭毫米波在現代化城市環境中,大規模覆蓋的可行性。實驗中的舊金山,在 10 平方公里區域內,實現了 65% 下行連接覆蓋,由於基地台本身與LTE基地台共同部署,它在密集區市區的覆蓋率,甚至高達 80%。

同時,由於 28GHz 的高頻段,提供了更多的頻寬使用,因此它為 6GHz 以下的 LTE 網路,節省了大量的頻譜資源,從而智慧手機以及設備在室內環境,將會獲得更好的網路狀況。


全球首款面向移动终端的毫米波5G天线模块QTM052


同時,毫米波的推動也發生在終端上,高通目前已經發佈多個智慧手機,可用的小型化 5G 新空口射頻模組,它們除了支持 6GHz 以外,同樣還能提供對於毫米波的支持,這意味著智慧終端廠商,在使用基於高通驍龍 855 行動平台,以及 X50 5G 調制解調器的方案時,搭配配套的射頻模組,即可實現對於毫米波的支持。

我們相信,5G 技術正像這個時代的蒸汽機,它將再一次推動全人類全產業的進步,無論是工業領域,還是普通人的生活,都將因此而改變。在頻譜資源進一步被壓榨的當下,毫米波技術最終也將登上歷史舞台,承擔起提供更優質網路的重任。190190403


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