毫米波（mmWave）：頻段之戰(zhàn)

無線設(shè)備和其處理的數(shù)據(jù)量每年都呈指數(shù)遞增(53% 復合年增長率[1])。隨著這些設(shè)備產(chǎn)生并處理的數(shù)據(jù)量越來越多，連接這些設(shè)備的無線通信基礎(chǔ)設(shè)施也必須持續(xù)發(fā)展才能滿足需求。如圖 1 所示，4G 網(wǎng)絡(luò)頻譜效率的提高已經(jīng)不足以提供 3GPP[2] 定義的三大高級 5G 用例所需數(shù)據(jù)速率的階梯函數(shù)了，這些用例旨在提供無處不在的即時移動寬帶數(shù)據(jù)。認識到這一點后，研究人員開始尋找更高的頻率作為可能的解決方案。早期信道聲探工作帶來的積極成果使全球無線標準化組織把重點轉(zhuǎn)移到下一代 5G 無線系統(tǒng)該怎樣整合，以及如何從新的頻率和更廣的帶寬中受益。

1. 定義5G的關(guān)鍵績效指標

所有用例的設(shè)計都旨在使未來的無線標準能夠處理現(xiàn)有無線標準不足以應(yīng)對的新應(yīng)用，每一個都需要一整套全新的關(guān)鍵績效（KPI）。IMT 2020 用例定義的增強移動寬帶（eMBB）預計最大數(shù)據(jù)速率可達 10 Gb/s，是 4G 的 100 倍[3]。根據(jù)香農(nóng)定理總結(jié)的信道容量與帶寬（頻譜）和信道噪聲的關(guān)系[4]，數(shù)據(jù)速率與可用頻譜息息相關(guān)。鑒于小于 6 Ghz 的頻譜已經(jīng)全部分配，所以超過 6 Ghz 的頻譜，特別是在毫米波范圍中的頻譜就成為應(yīng)對 eMBB 用例的絕佳選擇。

Figure 1: Three high level 5G use cases as defined by 3GPP and IMT 2020

2. 毫米波：三個頻率的故事

為服務(wù)客戶，全球的服務(wù)運營商在頻譜上花費了幾十億美元。頻譜高昂的拍賣價格也突顯了其市場價值以及這種珍貴資源的稀缺性。開發(fā)新的頻譜能夠讓服務(wù)運營商容納更多用戶，并提供更高性能的移動寬帶數(shù)據(jù)體驗。與小于 6Ghz 的頻譜相比，毫米波更加豐富，需要的許可也更少，也就是說全球的服務(wù)運營商都能用上。先進的硅制造工藝大幅降低了毫米波設(shè)備的價格，完全可用于消費電子產(chǎn)品。目前影響毫米波應(yīng)用的主要問題在于這個頻譜的很多方面都沒經(jīng)過研究，需要解答技術(shù)問題。

服務(wù)運營商已經(jīng)開始研究毫米波技術(shù)，以評估適用于移動應(yīng)用的最佳候選頻率。國際電信聯(lián)盟（ITU）和 3GPP 就 5G 標準研究的 2 個階段規(guī)劃達成了共識。第一個階段研究 40 GHz 以下的頻率，以滿足較為緊急的商業(yè)需求，將于 2018 年 9 月完成。第二個階段計劃從 2018 年開始，到 2019 年 9 月完成，以解決 IMT 2020 概述的 KPPI，該階段專注于最高 100 Ghz 的頻率。

為使毫米波頻率實現(xiàn)全球統(tǒng)一標準化，在最近的世界無線電通信大會 (WRC)[5] 結(jié)束后，ITU 發(fā)布了從 24 Ghz 到 86 Ghz 的全球可用頻率建議列表：

在 ITU 發(fā)布建議后不久，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）于 2015 年 10 月 21 日發(fā)布了規(guī)則制定建議通知（NPRM），建議采用 28 GHz、37 GHz、39 Ghz 和 64-71 Ghz 頻段[6]靈活的新服務(wù)規(guī)則。

圖 2：適合移動應(yīng)用的 FCC 建議頻段[6]

雖然 ITU、3GPP 和其他標準機構(gòu)決定將 2020 年作為規(guī)定 5G 標準的最后時限，但手機供應(yīng)商正努力加快提供 5G 服務(wù)的步伐。美國的 Verizon 和 ATT 計劃在 2017 年就推出 5G 的早期版本。韓國計劃在 2018 年奧運會推出 5G 試用，而日本希望在 2020 年的東京奧運會上展示 5G 技術(shù)。通過各群體在各種因素推動下的不斷努力，一些頻率已經(jīng)開始成為 5G 的候選項：28 GHz、39 Ghz 和 72 GHz。

這 3 個頻段脫穎而出是有原因的。首先，與 60 Ghz 會因氧吸收[7]產(chǎn)生約 20 dB/km 損耗不同，如下圖所示，這些頻段的氧吸收率要低得多，更適用于長距離通信。這些頻率在多通道環(huán)境中也表現(xiàn)良好，可用于非視距通信。毫米波將高度定向天線與波束成形和波束追蹤相結(jié)合，可提供極為安全可靠的鏈路。紐約大學理工學院的 Ted Rappaport 博士和他的學生已經(jīng)開始研究 28GHz、38GHz 和 73Ghz 的通道特性與潛在效能。他們發(fā)表了數(shù)篇論文，探討這些頻率的傳播測量以及潛在服務(wù)中斷研究。通過這些頻率的現(xiàn)有數(shù)據(jù)和研究加上全球可用頻譜，就能從這 3 種頻率開始制作毫米波的原型。

圖3：毫米波頻率的大氣吸收率（dB/km）[7]

3. 28 GHz

如上文所述，服務(wù)供應(yīng)商渴望獲得還未分配的大量毫米波頻譜，它們將成為 毫米波頻譜將使用哪些頻率的關(guān)鍵影響因素。2015 年 2 月，三星獨自進行了信道測量，發(fā)現(xiàn) 28 Ghz 可用于手機通信。此次測量證明城市環(huán)境確實存在路徑損耗（非視距（NLoS）鏈路的路徑損耗指數(shù)為 3.53），三星表示該數(shù)據(jù)說明毫米波通信鏈路可支持 200 米以上的距離[8]。他們的研究還包括相位陣列式天線，并開始打造能使手機采用復雜的相位陣列式天線的特色設(shè)計。在日本，NTT Docomo 與諾基亞、三星、愛立信、華為以及富士通合作，成功進行了 28 Ghz 及其他頻率的現(xiàn)場測試。

2015 年 9 月，Verizon 宣布將于 2016 年與包括三星在內(nèi)的主要合作伙伴在美國進行現(xiàn)場測試。這比到 2020 年實現(xiàn) 5G 標準的期限還提前了 4 年，使 Verizon 成為了 5G 市場的先行者。2015 年 11 月，高通用 128 根天線在 28 Ghz 進行了實驗，以展示毫米波技術(shù)在密集城市環(huán)境中的應(yīng)用以及怎樣將定向波束成形用于非視距通信。在 FCC 宣布 28 GHz 頻譜可用于移動通信后，預計美國將進行進一步的實驗和現(xiàn)場測試。Verizon 還宣布向 XO communicaTIons 租用 28 Ghz 頻譜，并具有在 2018 年底買下的購買選擇權(quán)。

但值得注意的是，28 Ghz 頻段并不在 ITU 全球可用頻率列表之中，所以是否能成為 5G 毫米波應(yīng)用的長期頻率還未確定。但該頻譜已用于美國、韓國和日本，而無論其是否成為全球標準，美國服務(wù)供應(yīng)商都承諾盡早進行現(xiàn)場測試以推動 28 GHz 進入美國移動技術(shù)。韓國希望能在 2018 年奧運會上展示 5G 技術(shù)， 因此也在標準機構(gòu)敲定 5G 標準前推動 28 GHz 進入消費產(chǎn)品領(lǐng)域。該頻率不在國際移動通信（IMT）頻譜列表之中的事實并沒有被忽略，幾位 FCC 委員都表達了關(guān)注。委員 Jessica Rosenworcel 于 2016 年 2 月在華盛頓的演講中說道：

“從長遠來看，我認為美國需要在某些方面單獨前行，其中就包括 28Ghz 頻段。很遺憾，去年在日內(nèi)瓦舉行的世界無線電大會沒有討論這一頻段，也未將其列入 5G 頻譜研究列表。但該頻段可用于全球移動分配，所以我認為美國應(yīng)該繼續(xù)探索這個前沿頻譜。韓國和日本已經(jīng)開始了對該頻段的測試，所以我們不能在這個時候退縮。我們必須靠著自己前進，并在今年底搭建好 28Ghz 頻段的框架。”

委員 Michael O’Rielly 甚至撰寫了一篇博文向 FCC 表達他對 2015 世界無線電大會（WRC）結(jié)果的不滿：

“這讓我開始思考 2015 世界無線電大會產(chǎn)生的實際效果以及在未來對 ITU 的作用造成的影響。這些做法很可能會損害 WRC 未來的價值，使 ITU 淪為政府和現(xiàn)有頻譜用戶的工具，阻礙頻譜效率和技術(shù)進步[9]”

28 GHz 是否會成為廣泛采用的 5G 頻率還有待觀察，但它在目前顯然非常重要。

4. 73 GHz

在圍繞 28 Ghz 開展工作的同時，E-band 頻率在近幾年也引起了移動通信領(lǐng)域的關(guān)注。根據(jù)紐約大學對 73 GHz 進行的信道測量，諾基亞開始研究這一頻率。在 2014 年國家儀器公司的年會 NI 周上，諾基亞使用國家儀器公司的原型硬件展示了首個在 73 Ghz 運行的空中傳輸應(yīng)用。該系統(tǒng)還將隨著研究的進行持續(xù)發(fā)展，并不斷公開展示新的技術(shù)成果。在 2015 全球移動大會上，該原型系統(tǒng)憑借透鏡天線和波束追蹤使數(shù)據(jù)傳輸速率超過了 2Gbps。2015 年的布魯克林 5G 峰會展示了該系統(tǒng)的多輸入輸出（MIMO）版本，運行速率高達 10 Gbps。不到一年，全球移動大會又用該原型展示了運行速率超過 14 Gbps 的雙向空中鏈路。

諾基亞并不是唯一在 MWC 2016 上展示 73 GHz 技術(shù)的企業(yè)，華為和德國電信也展示了 73Ghz 的原型。該原型采用多用戶（MU）MIMO，展現(xiàn)出高頻率效率，個體用戶的速率有可能超過 20 Gbps。

已經(jīng)有針對 73 Ghz 的研究啟動了，預計未來 3 年還會更多。73 Ghz 不同于 28 Ghz 和 39 Ghz 的一項根本特征就是支持連續(xù)帶寬。73 Ghz 的移動通信可采用 2 Ghz 的連續(xù)帶寬，是建議頻率頻譜中最寬的。相比之下，28 Ghz 提供 850 MHz 帶寬，39 GHz 附近有 2 個頻段在美國分別提供 1.6 Ghz 和 1.4 Ghz 的帶寬。如之前所述，根據(jù)香農(nóng)定理，更多帶寬就等于更多的數(shù)據(jù)吞吐量，這是 73 Ghz 相對上述其他頻率的巨大優(yōu)勢。

5. 38 GHz

雖然目前 38 Ghz 的公開研究是最少的，但該頻率仍然有望進入 5G 標準。ITU 將其列為了全球可用頻率，紐約大學也根據(jù)現(xiàn)有信道數(shù)據(jù)證明這是一個可用頻率。與 28 Ghz 或 73 Ghz 相比，該頻率面臨的一大挑戰(zhàn)就是其目前的使用量較多。FCC 為潛在移動應(yīng)用提出了建議頻譜，以促進美國未來對該頻段的研究。

Verizon 在專注于 2016 年首次 28 Ghz 現(xiàn)場測試的同時，還計劃著測試 39 GHz。XO CommunicaTIons 不僅擁有 28 Ghz 的許可，還擁有大量 39 GHz 的許可。該頻譜獲得了服務(wù)供應(yīng)商對如此巨大的投資，且位于 IMT 列表，因此必將是 2020 5G 標準的有力爭奪者。

6. mmWave原型驗證

為促進毫米波在 5G 領(lǐng)域的應(yīng)用，研究人員必須開發(fā)新的技術(shù)、算法和通信協(xié)議，因為毫米波信道的基本屬性與現(xiàn)有手機模式不同，因此未知事宜很多。制作毫米波原型的重要性怎么強調(diào)都不為過，特別是在早期階段。制作毫米波系統(tǒng)原型可證明技術(shù)或理念的可行性，而單憑模擬無法做到這一點。使用毫米波原型在各種場景進行實時空中通信有助于揭示毫米波信道的秘密，實現(xiàn)技術(shù)運用和發(fā)展。

制作完整的毫米波通信原型面臨諸多挑戰(zhàn)。假設(shè)有一個能夠處理多 GHz 信號的基帶子系統(tǒng)，目前多數(shù) LTE 執(zhí)行通常都使用 10 Mhz （最大 20 MHz ）信道，計算負載與帶寬成正比。也就是說，計算能力必須增加 100 倍以上才能滿足 5G 的數(shù)據(jù)速率要求。考慮到毫米波系統(tǒng)的物理層計算，F(xiàn)PGA 對原型制作至關(guān)重要。

開發(fā)能夠驗證毫米波應(yīng)用原型的定制硬件非常困難。毫米波頻率如此吸引通信業(yè)的原因之一就是大容量的連續(xù)帶寬。為 5G 應(yīng)用尋找 1 到 2 Ghz 帶寬的現(xiàn)有硬件發(fā)射器或接收器十分昂貴，而有的頻率根本找不到。即便能找到這樣的硬件，其配置和處理原始數(shù)據(jù)的能力也有限。因此，設(shè)計定制 FPGA 處理板卡就成為一個有吸引力的選擇。雖然為 FPGA 板設(shè)計硬件所需的工程時間并不多，但是還要開發(fā)與其通信的軟件接口，即便是最有經(jīng)驗的工程師也需要在設(shè)計流程花上一年甚至更久，而這只是原型系統(tǒng)的一個組件。

除了 FPGA 板，毫米波原型系統(tǒng)還需要最先進的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器捕捉 1-2 Ghz 的帶寬。如今市場上有部分 RFIC 包含能轉(zhuǎn)換基帶和毫米波頻率的芯片，但選擇有限，而且多數(shù)只能用于 60 Ghz 頻段。 IF 和 RF 階段可代替 RFIC。一旦工程師有了基帶和 IF 解決方案，供應(yīng)商就能為毫米波無線電頭提供更多基帶 RFIC 以外的選擇，但仍然十分有限。開發(fā)毫米波無線電頭需要 RF 和微波設(shè)計的專業(yè)知識，和開發(fā) FPGA 板所需的技能完全不同，也就是說整個團隊必須具備開發(fā)所有所需硬件的各種技能。必須將 FPGA 作為毫米波基帶原型系統(tǒng)的核心組件，而編寫能處理多 Ghz 信道的多 FPGA 系統(tǒng)會增加系統(tǒng)的復雜度。為解決服務(wù)供應(yīng)商和通信研究人員面臨的系統(tǒng)復雜度和軟件問題，國家儀器公司提供了一系列可配置的毫米波原型硬件以及毫米波物理層源代碼，其中包含毫米波系統(tǒng)基帶的基本層面，還將多 FPGA 的數(shù)據(jù)傳輸和處理抽象化，從而簡化任務(wù)。這些工具都旨在將新原型轉(zhuǎn)變?yōu)閷?5G 技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要的系統(tǒng)和產(chǎn)品。

7. 總結(jié)

雖然 5G 未來的具體實現(xiàn)方式尚未明確，但可以肯定毫米波必將成為其技術(shù)之一。為滿足數(shù)據(jù)吞吐量的要求，必須采用 24Ghz 以上的大容量連續(xù)帶寬，而研究人員已通過原型證明毫米波技術(shù)可提供 14Gbps 以上的速率。尚未解決的最大問題就是移動通信要使用哪一個毫米波頻率。ITU 也許能幫助確定 5G 移動應(yīng)用的一個頻率?，F(xiàn)在的手機僅需開發(fā)并使用一套硅芯片而不是多套芯片組就能覆蓋全球，手機制造商和消費者都能從降低的成本中受益。但是，重新分配現(xiàn)有頻率成本高昂。理想情況是全球都能同意使用一個頻帶，但最終可能無法實現(xiàn)。為了趕時間，各地服務(wù)供應(yīng)商都選擇忽略 ITU 的建議，采用雖然不能擴展到全球，但是最為方便的頻譜。他們還利用了在現(xiàn)場測試和實驗中準確制作雙向通信鏈路原型的能力，這是 5G 開發(fā)的關(guān)鍵部分。研究人員由此得以展示這一新技術(shù)，以前所未有的速度推動標準化進程。

盡管仍然充滿未知，但可以肯定的是，未來一定會部署毫米波技術(shù)，而且會非常快。新一代無線通信即將到來，全世界都在關(guān)注其具體的實現(xiàn)方式。