5G頻譜的博弈在國際上是一個(gè)看不見的戰(zhàn)場(chǎng)，利益紛爭(zhēng)不斷。正因?yàn)橹袊捎昧死迕撞▉斫ㄔO(shè)5G這張大網(wǎng)，5G才得以大規(guī)模建設(shè)和商用。如果采用毫米波來做5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，5G網(wǎng)絡(luò)的商用至少要到2~3年后才能實(shí)現(xiàn)。不過，從帶寬來看，目前6GHz頻段以下的最大連續(xù)可用帶寬僅為100MHz左右，這意味著數(shù)據(jù)速率只能滿足1Gbit/s左右的下行數(shù)據(jù)傳輸。毫米波頻段移動(dòng)應(yīng)用帶寬可達(dá)到400MHz，傳輸速率能夠達(dá)到10Gbit/s甚至更多，在以快為先的5G時(shí)代，這樣的帶寬表現(xiàn)才能滿足用戶的期待。
5G標(biāo)準(zhǔn)為什么引入毫米波
毫米波頻段沒有很精確的定義，通常把波長(zhǎng)在1~10毫米之間的電磁波稱為毫米波，它對(duì)應(yīng)于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(zhǎng)為10毫米左右。
由于毫米波技術(shù)的高頻特點(diǎn)，毫米波本身的傳播距離相較于低頻段更短，運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)大規(guī)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里，毫米波自然不是頻段的首選。這是市場(chǎng)與技術(shù)共同造成的結(jié)果。
從1G到2G、3G再到4G，劃分的電波頻率越來越高。這其實(shí)是為了滿足更高傳輸速率的需要。根據(jù)3GPP的協(xié)議劃定，5G網(wǎng)絡(luò)未來將會(huì)主要使用兩段頻率——FR1頻段和FR2頻段。其中FR1頻段的范圍為450MHz~6GHz，我們通常稱之為6GHz以下頻段，也叫Sub-6GHz，其實(shí)這段頻譜已經(jīng)把2G/3G/4G在用的頻譜全部囊括在內(nèi)了；而另一個(gè)FR2頻段對(duì)應(yīng)的是24~52GHz這樣的高頻，在這段頻譜上，電磁波的波長(zhǎng)是毫米級(jí)別的，因此得名毫米波（嚴(yán)格來說大于30GHz才叫毫米波），又叫mmWave。毫米波頻譜的特點(diǎn)是超大帶寬，一段頻譜動(dòng)輒好幾GHz的帶寬，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(mèng)想正是構(gòu)筑于此。
由于3GPP決定5G NR繼續(xù)使用OFDM技術(shù)，因此相比4G而言，5G并沒有顛覆性的技術(shù)革新，而毫米波差不多就成了5G最大的“亮點(diǎn)”。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，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，Massive MIMO技術(shù)也是為毫米波而量身定制的。
毫米波5G標(biāo)準(zhǔn)不斷推進(jìn)
國際電信聯(lián)盟無線電通信部門（ITU-R）發(fā)布的《5G愿景》（ITU-R M.2083建議書）定義5G系統(tǒng)將滿足增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量的機(jī)器間通信（mMTC）、超高可靠和超低時(shí)延通信（uRLLC）三大類主要應(yīng)用場(chǎng)景。
在系統(tǒng)性能方面，5G系統(tǒng)將具備10~20Gbit/s的峰值速率，100Mbit/s~1Gbit/s的用戶體驗(yàn)速率，相對(duì)4G系統(tǒng)提升3~5倍的頻譜效率、百倍的能效，500km/h的移動(dòng)性支持，1ms的空口時(shí)延，100萬/km2的連接數(shù)密度以及10Mbit/s/m2的流量密度等關(guān)鍵能力指標(biāo)。
基于上述愿景及關(guān)鍵性能指標(biāo)要求，為滿足5G系統(tǒng)不同場(chǎng)景下的應(yīng)用需求，支持多元化的業(yè)務(wù)應(yīng)用，滿足差異化用戶需求，5G系統(tǒng)的候選頻段需要面向全頻段布局，低頻段和高頻段統(tǒng)籌規(guī)劃，以滿足網(wǎng)絡(luò)對(duì)容量、覆蓋、性能等方面的要求。
6GHz以下中低頻頻譜可兼顧5G系統(tǒng)的覆蓋與容量，面向eMBB、mMTC和uRLLC三大應(yīng)用場(chǎng)景構(gòu)建5G基礎(chǔ)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；6GHz以上高頻頻譜主要用于實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的容量增強(qiáng)，面向eMBB場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)極速體驗(yàn)。
2016年初，3GPP與全球主要通信廠商合作，完成了幾個(gè)主要毫米波通信頻段的初步測(cè)量，公布了有關(guān)毫米波信道模型的技術(shù)報(bào)告TR38.900，證明了毫米波頻段作為5G操作頻段在戶外通信的可行性，作為全球開發(fā)5G毫米波通信系統(tǒng)的共同依據(jù)。
3GPP NR毫米波頻段的射頻標(biāo)準(zhǔn)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以下的頻譜將于2019年12月完成的第二階段（3GPP R16）中予以分配。
國際電聯(lián)（ITU）在2019年世界無線電大會(huì)研究周期內(nèi)專門設(shè)立了TG 5/1工作組，負(fù)責(zé)1.13議題的研究工作，即為5G系統(tǒng)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(huì)議在瑞士日內(nèi)瓦舉行，這次會(huì)議是TG 5/1工作組在WRC-19召開之前的最后一次工作組會(huì)議，會(huì)議重點(diǎn)討論了全球在5G毫米波頻段的最新研究進(jìn)展，完成了5G系統(tǒng)在不同毫米波候選頻段與相關(guān)無線電業(yè)務(wù)的兼容共存研究報(bào)告，起草了2019年世界無線電通信大會(huì)準(zhǔn)備會(huì)會(huì)議文件（CPM報(bào)告）中關(guān)于1.13議題的相關(guān)內(nèi)容。
2019年只是5G起始商用時(shí)間，隨著2020 年之后業(yè)務(wù)量的不斷提升，移動(dòng)通信的頻譜需求量還將繼續(xù)增加?！?019年全國無線電管理工作要點(diǎn)》明確，將會(huì)在2019年適時(shí)發(fā)布5G系統(tǒng)部分毫米波頻段頻率使用規(guī)劃，引導(dǎo)5G系統(tǒng)毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展，這將有利于支撐2019年毫米波預(yù)商用試驗(yàn)及后續(xù)毫米波規(guī)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(yīng)用的潛力巨大，未來運(yùn)營商可以利用5G低、中、高頻段三層組網(wǎng)，1GHz以下頻段做覆蓋層，Sub-6GHz做容量層，毫米波做熱點(diǎn)覆蓋的高容量層，建成一張全國性的廣覆蓋、大容量5G網(wǎng)絡(luò)。毫米波相比于Sub-6GHz的時(shí)延更短，是Sub-6GHz頻段的1/4。對(duì)5G時(shí)延要求更高的應(yīng)用，如遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)、工業(yè)精密控制等場(chǎng)景，毫米波是一個(gè)更好的選項(xiàng)。
與較低頻率相比，毫米波頻譜具有許多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗粫?huì)發(fā)生阻塞，并且具有10Gbit/s甚至更高速率的數(shù)據(jù)傳輸能力。由于其傳輸距離比較短，頻率復(fù)用在許多應(yīng)用中是一大優(yōu)勢(shì)。組件尺寸較小，尤其是天線，也是一大優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是，由于較高的傳播損耗，其傳輸距離通常小于較低頻率，而且目前其成本較高。由于移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的增長(zhǎng)和small cell回程網(wǎng)絡(luò)的使用率上升，這一市場(chǎng)的增長(zhǎng)預(yù)計(jì)未來會(huì)加速。
為了支持5G網(wǎng)絡(luò)中的超過千兆比特的數(shù)據(jù)速率，將毫米波皮頻段用于未來的接入網(wǎng)絡(luò)是可行選擇，這是因?yàn)楹撩撞l帶具有豐富的可用頻率資源。5G網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，毫米波是最為閉環(huán)中處于圓心周圍的最核心體驗(yàn)，它所呈現(xiàn)的是極限的速度。
歐洲、日本、韓國、澳大利亞等地都計(jì)劃使用6GHz以下頻段進(jìn)行先期5G網(wǎng)絡(luò)部署，中國也一樣，并不像美國等地區(qū)對(duì)毫米波有那么高的需求。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)毫米波在國內(nèi)的發(fā)展可能會(huì)很晚。圖為日本毫米波的頻譜規(guī)劃情況，兼顧了運(yùn)營商與垂直行業(yè)的需求。
圖 日本毫米波頻譜規(guī)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(yōu)勢(shì)的。在國內(nèi)毫米波很難取代光纖做回傳，但在國外，部分運(yùn)營商可能就會(huì)選擇毫米波做基站回傳。美國和加拿大運(yùn)營商在2018年之后對(duì)28GHz和39GHz頻段進(jìn)行了預(yù)商用，如圖所示。
圖 國外運(yùn)營商對(duì)毫米波頻段進(jìn)行預(yù)商用
有觀點(diǎn)認(rèn)為，完美的5G需要毫米波頻段在5G接入系統(tǒng)的普及應(yīng)用，毫米波將使5G接近其最初的設(shè)想，相關(guān)技術(shù)也在不斷演進(jìn)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： 中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司
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