“濃縮”即精華？未來毫米波或成5G乃至6G的常用頻段
5G頻譜的博弈在國際上是一個看不見的戰場，利益紛爭不斷。正因為中國採用了釐米波來建設5G這張大網，5G才得以大規模建設和商用。如果採用毫米波來做5G網路覆蓋，5G網路的商用至少要到2~3年後才能實現。不過，從頻寬來看，目前6GHz頻段以下的最大連續可用頻寬僅為100MHz左右，這意味著資料速率只能滿足1Gbit/s左右的下行資料傳輸。毫米波頻段移動應用頻寬可達到400MHz，傳輸速率能夠達到10Gbit/s甚至更多，在以快為先的5G時代，這樣的頻寬表現才能滿足使用者的期待。
5G標準為什麼引入毫米波
毫米波頻段沒有很精確的定義，通常把波長在1~10毫米之間的電磁波稱為毫米波，它對應於30~300GHz之間的無線電頻譜。以FR2 n257頻段為例，即28GHz的頻率，它的波長為10毫米左右。
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，運營商實現大規模覆蓋往往需要投入更多的成本。因此在頻譜資源尚未緊張的年代裡，毫米波自然不是頻段的首選。這是市場與技術共同造成的結果。
從1G到2G、3G再到4G，劃分的電波頻率越來越高。這其實是為了滿足更高傳輸速率的需要。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，我們通常稱之為6GHz以下頻段，也叫Sub-6GHz，其實這段頻譜已經把2G/3G/4G在用的頻譜全部囊括在內了；而另一個FR2頻段對應的是24~52GHz這樣的高頻，在這段頻譜上，電磁波的波長是毫米級別的，因此得名毫米波（嚴格來說大於30GHz才叫毫米波），又叫mmWave。毫米波頻譜的特點是超大頻寬，一段頻譜動輒好幾GHz的頻寬，路寬了，可以修更多車道，跑更大的車，速率也可以成倍提升，5G每秒20Gbit/s峰值速率的夢想正是構築於此。
由於3GPP決定5G NR繼續使用OFDM技術，因此相比4G而言，5G並沒有顛覆性的技術革新，而毫米波差不多就成了5G最大的“亮點”。而5G其它新技術的引入，比如Massive MIMO、新的numerology（子載波間隔等）、LDPC/Polar碼等，都與毫米波密切相關，都是為了讓OFDM技術能更好地擴充套件到毫米波段。為了適應毫米波的大頻寬特徵，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計的，Massive MIMO技術也是為毫米波而量身定製的。
毫米波5G標準不斷推進
國際電信聯盟無線電通訊部門（ITU-R）釋出的《5G願景》（ITU-R M。2083建議書）定義5G系統將滿足增強的移動寬頻（eMBB）、海量的機器間通訊（mMTC）、超高可靠和超低時延通訊（uRLLC）三大類主要應用場景。
在系統性能方面，5G系統將具備10~20Gbit/s的峰值速率，100Mbit/s~1Gbit/s的使用者體驗速率，相對4G系統提升3~5倍的頻譜效率、百倍的能效，500km/h的移動性支援，1ms的空口時延，100萬/km2的連線數密度以及10Mbit/s/m2的流量密度等關鍵能力指標。
基於上述願景及關鍵效能指標要求，為滿足5G系統不同場景下的應用需求，支援多元化的業務應用，滿足差異化使用者需求，5G系統的候選頻段需要面向全頻段佈局，低頻段和高頻段統籌規劃，以滿足網路對容量、覆蓋、效能等方面的要求。
6GHz以下中低頻頻譜可兼顧5G系統的覆蓋與容量，面向eMBB、mMTC和uRLLC三大應用場景構建5G基礎行動通訊網路；6GHz以上高頻頻譜主要用於實現5G網路的容量增強，面向eMBB場景實現熱點極速體驗。
2016年初，3GPP與全球主要通訊廠商合作，完成了幾個主要毫米波通訊頻段的初步測量，公佈了有關毫米波通道模型的技術報告TR38。900，證明了毫米波頻段作為5G操作頻段在戶外通訊的可行性，作為全球開發5G毫米波通訊系統的共同依據。
3GPP NR毫米波頻段的射頻標準討論和制定工作由3GPP RAN4牽頭開展，3GPP定義的5G第一階段頻譜分配定義了52。6GHz以下的頻譜，而100GHz以下的頻譜將於2019年12月完成的第二階段（3GPP R16）中予以分配。
國際電聯（ITU）在2019年世界無線電大會研究週期內專門設立了TG 5/1工作組，負責1。13議題的研究工作，即為5G系統在毫米波頻段研究確定可使用的頻譜資源。2018年8月，TG 5/1工作組第六次會議在瑞士日內瓦舉行，這次會議是TG 5/1工作組在WRC-19召開之前的最後一次工作組會議，會議重點討論了全球在5G毫米波頻段的最新研究進展，完成了5G系統在不同毫米波候選頻段與相關無線電業務的相容共存研究報告，起草了2019年世界無線電通訊大會準備會會議檔案（CPM報告）中關於1。13議題的相關內容。
2019年只是5G起始商用時間，隨著2020 年之後業務量的不斷提升，行動通訊的頻譜需求量還將繼續增加。《2019年全國無線電管理工作要點》明確，將會在2019年適時釋出5G系統部分毫米波頻段頻率使用規劃，引導5G系統毫米波產業發展，這將有利於支撐2019年毫米波預商用試驗及後續毫米波規模部署。
毫米波的未來
低頻的頻譜資源終歸是有限的，毫米波應用的潛力巨大，未來運營商可以利用5G低、中、高頻段三層組網，1GHz以下頻段做覆蓋層，Sub-6GHz做容量層，毫米波做熱點覆蓋的高容量層，建成一張全國性的廣覆蓋、大容量5G網路。毫米波相比於Sub-6GHz的時延更短，是Sub-6GHz頻段的1/4。對5G時延要求更高的應用，如遠端醫療手術、工業精密控制等場景，毫米波是一個更好的選項。
與較低頻率相比，毫米波頻譜具有許多優點，因為它不會發生阻塞，並且具有10Gbit/s甚至更高速率的資料傳輸能力。由於其傳輸距離比較短，頻率複用在許多應用中是一大優勢。元件尺寸較小，尤其是天線，也是一大優勢。缺點是，由於較高的傳播損耗，其傳輸距離通常小於較低頻率，而且目前其成本較高。由於移動資料流量的增長和small cell回程網路的使用率上升，這一市場的增長預計未來會加速。
為了支援5G網路中的超過千兆位元的資料速率，將毫米波皮頻段用於未來的接入網路是可行選擇，這是因為毫米波頻帶具有豐富的可用頻率資源。5G網路是一個複雜的網路環境，毫米波是最為閉環中處於圓心周圍的最核心體驗，它所呈現的是極限的速度。
歐洲、日本、韓國、澳大利亞等地都計劃使用6GHz以下頻段進行先期5G網路部署，中國也一樣，並不像美國等地區對毫米波有那麼高的需求。業內人士預計毫米波在國內的發展可能會很晚。圖為日本毫米波的頻譜規劃情況，兼顧了運營商與垂直行業的需求。
圖 日本毫米波頻譜規劃情況
在基站回傳方面，在美國等部分國家，相比租用光纖的高成本，毫米波還是有一定優勢的。在國內毫米波很難取代光纖做回傳，但在國外，部分運營商可能就會選擇毫米波做基站回傳。美國和加拿大運營商在2018年之後對28GHz和39GHz頻段進行了預商用，如圖所示。
圖 國外運營商對毫米波頻段進行預商用
有觀點認為，完美的5G需要毫米波頻段在5G接入系統的普及應用，毫米波將使5G接近其最初的設想，相關技術也在不斷演進之中，或許在不久的將來，毫米波將成為5G乃至6G的常用頻段。
作者：
中國行動通訊集團設計院有限公司
刁兆坤 劉威 範才坤 楊麗 秦文
責編/版式：王禹蓉
我就知道你“在看”
