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毫米波的基础知识和发展

发布日期:2020-09-14 18:54 来源:和记h88 发布人:和记娱乐 点击:

  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。

  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,代表经过激烈讨论,确认了5G毫米波的频谱范围:

  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。

  意大利已经进行了毫米波频谱资源的拍卖,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)。

  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。

  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。

  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年冬奥会进行毫米波技术的展示和应用。

  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。

  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)。

  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。

  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。

  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。

  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)已经可以达到1-2公里,非视距的线米之间(基站EIRP>60dBm)。

  上个月,高通、Casa Systems和爱立信在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。

  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、记者等人员的连接需求,也是毫米波的用武之地。

  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。

  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或信号,让用户实现宽带上网。如下图所示:

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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,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P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。

  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,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。

  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!

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