通信世界網(wǎng)消息（CWW）5G定義了eMBB、uRLLC和mMTC三大場(chǎng)景，對(duì)容量，時(shí)延，可靠性和連接數(shù)均提出了更高要求，到目前為止，中國(guó)移動(dòng)已經(jīng)部署50萬(wàn)以上的5G中頻段基站，到年底前預(yù)計(jì)還會(huì)新增20萬(wàn)低頻段的共建共享基站，當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)為2C用戶(hù)帶來(lái)了較好的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。毫米波相比中低頻可提供更大帶寬、更高速率、更低時(shí)延，有望更好支撐2C、2H、2B、2N等用戶(hù)的多樣化業(yè)務(wù)需求，但同時(shí)也面臨眾多挑戰(zhàn)，需要產(chǎn)業(yè)加強(qiáng)對(duì)毫米波技術(shù)和應(yīng)用的研究和探索。
5G毫米波的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
5G毫米波支持400MHz的小區(qū)帶寬，800MHz的載波聚合，因此具有單用戶(hù)高速率優(yōu)勢(shì)，根據(jù)目前實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在考慮載波聚合的情況下，毫米波上下行單用戶(hù)峰值速率可達(dá)1Gbps和3.7Gbps以上，相比中頻段分別提高了2倍和20%，后續(xù)通過(guò)算法優(yōu)化和256QAM高階調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)化完成，單用戶(hù)速率有待進(jìn)一步提升。毫米波的子載波間隔為120KHz，即slot時(shí)長(zhǎng)為0.125ms，是中頻段NR的1/4，故具有更低的時(shí)延性能。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，毫米波的RTT環(huán)回時(shí)延低于4ms，是2.6GHz NR和FDD系統(tǒng)的一半。由此可見(jiàn)，作為5G的重要組成部分，毫米波將能夠進(jìn)一步釋放5G的潛力。
但毫米波易受遮擋、穿透特性差的頻率特性，導(dǎo)致覆蓋性能相比中低頻有較大差距。根據(jù)我們的外場(chǎng)測(cè)試，在室外場(chǎng)景中， EIRP為48dBm情況下 LOS覆蓋距離為400~500米，NLOS場(chǎng)景則受限于遮擋程度。室內(nèi)場(chǎng)景中，以L(fǎng)OS覆蓋為主，可覆蓋60米左右。在室外覆蓋室內(nèi)場(chǎng)景中，覆蓋范圍存在較大挑戰(zhàn)，主要受限于墻體遮擋。總體而言，毫米波穿墻損耗較高，不適合用于室外覆蓋室內(nèi)場(chǎng)景。純室外覆蓋場(chǎng)景下，在茂密植被、建筑樓宇遮擋損耗高的場(chǎng)景時(shí)，容易掉話(huà)，連續(xù)組網(wǎng)成本高，毫米波更適合部署于LOS或具備良好反射路徑的區(qū)域性覆蓋場(chǎng)景。
毫米波商用及產(chǎn)業(yè)進(jìn)展
目前世界主要經(jīng)濟(jì)體已經(jīng)完成或者正在進(jìn)行5G毫米波的頻譜規(guī)劃。國(guó)際上對(duì)毫米波的頻譜規(guī)劃大部分集中在24.25~43.5GHz之間，我國(guó)已規(guī)劃確定的試驗(yàn)頻譜為24.75~27.5G。其中美國(guó)、日韓等地的毫米波的應(yīng)用節(jié)奏較快，已經(jīng)進(jìn)行了部分地區(qū)的商用部署，中國(guó)也在2017年開(kāi)始了毫米波技術(shù)試驗(yàn)。根據(jù)GSA最新的數(shù)據(jù)，目前全球已有28家運(yùn)營(yíng)商在毫米波頻段進(jìn)行了商用部署。
具體到毫米波端到端設(shè)備，在基站設(shè)備領(lǐng)域，主流設(shè)備廠(chǎng)商已經(jīng)陸續(xù)推出毫米波商用基站產(chǎn)品，目前普遍支持滿(mǎn)足密集城區(qū)覆蓋需求、EIRP大于65dBm的室外覆蓋產(chǎn)品，部分廠(chǎng)商還發(fā)布了滿(mǎn)足高穹頂室內(nèi)場(chǎng)館覆蓋及街道覆蓋的桿微站產(chǎn)品，該產(chǎn)品的EIRP規(guī)格一般在40或50dBm左右。但分布式的皮站目前尚未有產(chǎn)品推出，一些毫米波室內(nèi)場(chǎng)景目前主要借助桿微站解決。在終端及芯片領(lǐng)域，主要的芯片解決方案廠(chǎng)商：高通、海思、三星、MTK等也都推出了其毫米波芯片方案，目前全球商用的毫米波終端已有約70款，主要還是以手機(jī)和CPE為主，數(shù)字通道數(shù)為2T2R。
中國(guó)移動(dòng)始終致力于新技術(shù)的研究，早在2017年便成立了毫米波項(xiàng)目組，在總體規(guī)劃、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品方案、關(guān)鍵器件、測(cè)試驗(yàn)證等幾個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展毫米波相關(guān)的工作。總體規(guī)劃包括毫米波頻譜策略、應(yīng)用場(chǎng)景、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等研究工作。其他的研究點(diǎn)包括多天線(xiàn)、系統(tǒng)參數(shù)、組網(wǎng)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，毫米波基站架構(gòu)、波束賦形、覆蓋增強(qiáng)等產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方案。此外中國(guó)移動(dòng)對(duì)毫米波關(guān)鍵器件的性能、產(chǎn)業(yè)情況等也非常關(guān)注，一直致力于上游產(chǎn)業(yè)鏈的推進(jìn)工作。毫米波與中低頻的測(cè)試方案有很大不同，為此中國(guó)移動(dòng)研究院也與信通院等產(chǎn)業(yè)界同仁一起開(kāi)展了毫米波測(cè)試環(huán)境和方法的研究。
毫米波應(yīng)用場(chǎng)景及系統(tǒng)參數(shù)探索
毫米波作為sub-6G的補(bǔ)充和增強(qiáng)，需要我們先探索清楚毫米波可能的適用場(chǎng)景。毫米波具有大容量、低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)外，還具有更高距離分辨率、更強(qiáng)定位精度等優(yōu)勢(shì)，可探索2C、2B和通感一體等場(chǎng)景的應(yīng)用。2C場(chǎng)景下，體育場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)等特殊大容量場(chǎng)景，在高清、超高清視頻等高速率業(yè)務(wù)逐漸普及后，可能存在容量需求無(wú)法滿(mǎn)足的問(wèn)題，毫米波可用于這些熱點(diǎn)的容量補(bǔ)充。通感一體化場(chǎng)景下，可探索在自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)等應(yīng)用中，提供更高的距離分辨率、角度精度和定位精度以滿(mǎn)足行業(yè)需求。
毫米波的這些特性還將助力工業(yè)智能化革命，在2B場(chǎng)景中發(fā)光發(fā)熱。例如，在高鐵車(chē)地通信場(chǎng)景中，列車(chē)進(jìn)站后，運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的視頻監(jiān)控、機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)、傳感器等數(shù)據(jù)需要與車(chē)站同步，傳統(tǒng)方式為視頻卡拷貝，效率和實(shí)時(shí)性很低。該場(chǎng)景的傳輸特點(diǎn)為信息傳輸距離短，多為L(zhǎng)OS環(huán)境，傳輸時(shí)間短、數(shù)據(jù)量相對(duì)較大。使用毫米波則能夠提供強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，50秒內(nèi)傳輸50GB的數(shù)據(jù)，最大上行傳輸速率超過(guò)1.5Gbps，無(wú)需人工干預(yù)。在密集部署的工業(yè)相機(jī)、智慧工廠(chǎng)等2B應(yīng)用場(chǎng)景下，無(wú)論是1.17Gbps的上行速率要求，還是低于5ms的時(shí)延剛需，亦或者5個(gè)9的可靠性需求，毫米波都可更好的保障2B行業(yè)的應(yīng)用。
3GPP定義毫米波可支持50MHz/100MHz/200MHz/400MHz不同的載波帶寬。綜合考慮端到端的性能，第一：小區(qū)帶寬越大，公共開(kāi)銷(xiāo)越小，鄰區(qū)關(guān)系越簡(jiǎn)單，切換次數(shù)越少，更易達(dá)到負(fù)載均衡； 第二：由于毫米波流數(shù)及調(diào)制方式低于中低頻段，小區(qū)帶寬支持400MHz方能體現(xiàn)毫米波優(yōu)勢(shì)，是技術(shù)演進(jìn)的必然趨勢(shì)； 第三：基站支持小區(qū)帶寬400MHz相對(duì)200MHz無(wú)成本、技術(shù)復(fù)雜度提升，終端側(cè)支持400MHz*1及200MHz*2無(wú)本質(zhì)差別。因此我們建議基站和終端支持的載波帶寬一致，優(yōu)選400MHz，同時(shí)考慮到未來(lái)分配的頻譜可能不是400MHz的整數(shù)倍，也同步建議支持200MHz。目前產(chǎn)業(yè)大多數(shù)都支持單載波100MHz，少數(shù)基站和終端已經(jīng)支持單載波200MHz帶寬，但400MHz小區(qū)帶寬目前產(chǎn)業(yè)還無(wú)規(guī)劃。建議產(chǎn)業(yè)伙伴們聯(lián)合推動(dòng)支持400MHz小區(qū)帶寬。
5G毫米波幀結(jié)構(gòu)定義非常靈活，考慮目前的產(chǎn)業(yè)、性能和需求分析，建議網(wǎng)絡(luò)和終端支持3D1U(即DDDSU)、2D2U(即DDSUU)和1D3U(即DSUUU)等多種幀結(jié)構(gòu)。3D1U適用于補(bǔ)熱補(bǔ)容場(chǎng)景業(yè)務(wù)，比如交通樞紐；1D3U適合僅上行有大流量需求，下行無(wú)速率要求的場(chǎng)景，比如工業(yè)視覺(jué)； 2D2U適用于上下行吞吐量均有較高需求的場(chǎng)景，比如園區(qū)辦公；同時(shí)考慮毫米波覆蓋范圍小，易衰落，交叉時(shí)隙干擾相對(duì)較小，可考慮根據(jù)垂直行業(yè)不同業(yè)務(wù)需求，配置不同的幀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)靈活的幀結(jié)構(gòu)配置或調(diào)整。目前產(chǎn)業(yè)主要聚焦在3D1U和1D3U兩種幀結(jié)構(gòu)上，建議產(chǎn)業(yè)也考慮靈活幀結(jié)構(gòu)的配置或調(diào)整方式。
目前比較成熟的毫米波架構(gòu)主要還是數(shù)模混合的波束賦形架構(gòu)，在這種架構(gòu)下，毫米波基站的EIRP由單通道的輸出功率以及通道的規(guī)模共同決定，而單通道的功率又決定了器件的工藝選擇。不同形態(tài)規(guī)格的基站產(chǎn)品，需要結(jié)合使用需求，進(jìn)行細(xì)致的指標(biāo)分析，制定合適的基站產(chǎn)品參數(shù)。目前毫米波基站產(chǎn)品其射頻前端大多采用了硅基工藝，但在砷化鎵等化合物材料和工藝上建議產(chǎn)業(yè)界繼續(xù)深入探索。
毫米波的應(yīng)用挑戰(zhàn)及目標(biāo)建議
雖然毫米波在全球已經(jīng)有部分商用，但我們也發(fā)現(xiàn)相較于于中低頻，毫米波的產(chǎn)業(yè)成熟度還較低，與商用的目標(biāo)還有一定的差距。典型的問(wèn)題包括：1、基站設(shè)備的成本高和性能不足：基站設(shè)備目前主要以桿微站為主，站型較單調(diào)，EIRP較低，覆蓋能力不足，缺乏真正滿(mǎn)足廣覆蓋需求的宏站站型；由于全球產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，覆蓋效能低，因此基站設(shè)備成本還比較高，大概為同部署場(chǎng)景的sub-6G站型的2倍；基站功率效率低、功耗大，并且尚無(wú)法完全支持網(wǎng)絡(luò)所需功能。2、終端的能力仍有待加強(qiáng)，目前的商用終端主要以支持28G頻段為主，對(duì)我國(guó)的26G頻段支持力度較弱，同時(shí)單載波帶寬較窄，產(chǎn)品形態(tài)少，我們認(rèn)為未來(lái)毫米波的應(yīng)用應(yīng)該涉及到多種多樣的需求，諸如娛樂(lè)、工業(yè)等領(lǐng)域，因此終端可能還會(huì)出現(xiàn)頭盔、機(jī)械臂等各種形態(tài)的產(chǎn)品。另外，支持毫米波的終端型號(hào)較少，增加毫米波頻段后成本比純sub-6G終端高約10%以上。手持終端上行發(fā)射能力不足，需要持續(xù)優(yōu)化。3、基站關(guān)鍵器件性能較弱，例如發(fā)射功率、噪聲系數(shù)、效率、集成度等仍有提升空間。4、毫米波測(cè)試技術(shù)不成熟，毫米波依賴(lài)OTA測(cè)試技術(shù)，但現(xiàn)在毫米波的測(cè)試模型不完備，尚無(wú)成熟端到端測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試效率低、成本高。
對(duì)于以上挑戰(zhàn)，我們提出幾點(diǎn)近中期毫米波應(yīng)用的目標(biāo)和建議：對(duì)于毫米波基站，應(yīng)進(jìn)一步豐富站型規(guī)格；在高低頻協(xié)同組網(wǎng)上，我們的目標(biāo)是既可以與sub6G協(xié)同組網(wǎng)也可以面向局部區(qū)域進(jìn)行毫米波的獨(dú)立組網(wǎng)，目前的功能實(shí)現(xiàn)上還有待成熟；在幀結(jié)構(gòu)上我們希望面向不同的場(chǎng)景可以支持靈活的幀結(jié)構(gòu)，目前產(chǎn)業(yè)還主要支持以下行為主的幀結(jié)構(gòu)。此外，諸如IBW帶寬、多用戶(hù)MIMO、MCS等級(jí)、功率效率等仍有一定的上升空間。對(duì)于毫米波終端，我們建議具備更多的形態(tài)，支持國(guó)內(nèi)規(guī)劃的n258全頻段，單載波支持400MHz帶寬。對(duì)于毫米波器件，持續(xù)提升性能和集成度。在測(cè)試方面，盡快支持高效、完備的測(cè)試方案。
最后面向毫米波中遠(yuǎn)期發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新大有可為，例如面向架構(gòu)演進(jìn)的全數(shù)字波束賦形架構(gòu)及透鏡天線(xiàn)架構(gòu)，提升覆蓋的智能超表面賦形技術(shù)及超表面覆蓋增強(qiáng)技術(shù)、與感知結(jié)合的毫米波通感一體化技術(shù)、優(yōu)化天線(xiàn)設(shè)計(jì)的稀疏陣方案等，希望業(yè)界專(zhuān)家學(xué)者們共同研究和探索，碰撞出更多創(chuàng)新思維的火花。
結(jié)束語(yǔ)
5G技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展離不開(kāi)高、中、低頻段的協(xié)同發(fā)展。其中，高頻段是保證網(wǎng)絡(luò)高速率和大容量的關(guān)鍵頻段。在5G未來(lái)發(fā)展中，毫米波技術(shù)將發(fā)揮重要的補(bǔ)充作用。希望產(chǎn)業(yè)伙伴共同探索5G毫米波的適用場(chǎng)景、高性?xún)r(jià)比的端到端實(shí)現(xiàn)方案，打造健壯、完善的產(chǎn)業(yè)鏈，充分挖掘毫米波的技術(shù)和商業(yè)潛力，共同為毫米波產(chǎn)業(yè)的發(fā)展添磚加瓦。
