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(zhǎng)是10毫米,300GHz電磁波的波長(zhǎng)是1毫米。24.25GHz電磁波的波長(zhǎng)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(gè)約定俗成的名稱,沒(méi)有哪個(gè)組織對(duì)其有過(guò)嚴(yán)格的定義。有人認(rèn)為,頻率范圍在20GHz(波長(zhǎng)15毫米)——300GHz之間的電磁波都可以算毫米波。

    在很長(zhǎng)一段歷史時(shí)期,毫米波段屬于蠻荒之地。為什么呢?原因很簡(jiǎn)單,因?yàn)閹缀鯖](méi)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(méi)有電子設(shè)備發(fā)送或者接收毫米波?有兩個(gè)原因。第一個(gè)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(dòng)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(méi)有市場(chǎng)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(gè)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(lái),一切都改變了。

    隨著移動(dòng)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(guó)政府和國(guó)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(lái)5G都依賴于合適的頻率分配。問(wèn)題是,幾乎沒(méi)剩下什么頻率了?，F(xiàn)在,頻率就像房子,可以用一個(gè)字來(lái)形容,“貴”!對(duì)房子來(lái)說(shuō),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(wú)線頻率。

    毫米波就像美洲新大陸,給移動(dòng)用戶和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供了“無(wú)窮無(wú)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(lái)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(guò)1Gbps。而在毫米波頻段,移動(dòng)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(dòng)力。生產(chǎn)出價(jià)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(guò)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(guó)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(shí)建議研究用高于95GHz的頻率來(lái)承載5G。

  為什么不能隨意使用毫米波頻率呢?除了規(guī)模化經(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(shuō)應(yīng)該是這些頻率的“天段”特別差。無(wú)線電波在傳播時(shí),大氣會(huì)選擇性地吸收某些頻率(波長(zhǎng))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(huì)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(gè)組織分配毫米波資源,都會(huì)避開這4個(gè)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(shí)還不做考慮。

    除了這個(gè)只能避開的“天段”因素,毫米波的其它限制我們只能面對(duì),并且想辦法克服。否則,毫米波就無(wú)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(zhǎng)越短,傳播距離越短。在很多場(chǎng)景下,這個(gè)限制會(huì)導(dǎo)致毫米波的傳播距離超不過(guò)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(gè)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(guò)提高發(fā)射功率、提高天線增益、提高接收靈敏度等方法來(lái)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(guò)小有時(shí)候反而成了毫米波系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。比如,它能夠減少毫米波信號(hào)之間的干擾。毫米波系統(tǒng)使用的高增益天線同時(shí)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(shí)增強(qiáng)了安全性,降低了信號(hào)被截聽的概率。

   另外,“高頻率”這個(gè)限制因素會(huì)減少天線的尺寸,這又是一個(gè)意外的驚喜。假設(shè)我們使用的天線尺寸相對(duì)無(wú)線波長(zhǎng)是固定的,比如1/2波長(zhǎng)或者1/4波長(zhǎng),那么載波頻率提高意味著天線變得越來(lái)越小。比如說(shuō),一個(gè)900M GSM天線的長(zhǎng)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(shuō),在同樣的空間里,我們可以塞入越來(lái)越多的高頻段天線。基于這個(gè)事實(shí),我們就可以通過(guò)增加天線數(shù)量來(lái)補(bǔ)償高頻路徑損耗,而又不會(huì)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(wú)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(wú)線基站回程(backhaul)、短距離雷達(dá)探測(cè)、密集城區(qū)信息服務(wù)、體育場(chǎng)/音樂(lè)會(huì)/購(gòu)物中心無(wú)線通信服務(wù)、工廠自動(dòng)化控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、安全監(jiān)控、智能交通系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)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(wú)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(méi)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?cái)U(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(gè)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(jì)的。前面提到過(guò)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(dòng)通信系統(tǒng)該如何拓展新疆域呢?如果波長(zhǎng)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(zhǎng)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(méi)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(cè)到這些光。但是這些器件沒(méi)法工作于300GHz~100THz的頻率范圍。這個(gè)頻率范圍目前似乎成了盲區(qū)。但是,這個(gè)現(xiàn)象是暫時(shí)的。只要有需求,新科技和新元器件一定會(huì)消除這個(gè)盲區(qū)。

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