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5G路上,绕不开的毫米波

2019-03-21 15:05
来源: 科技行者

“移动通信要发展,频谱资源需先行”,这是通信产业的共识,毕竟频谱资源之于移动通信,就像土地之于房地产。

而对于5G时代,除了目前中国正在部署的Sub-6GHz频段,还有一块“宝地”,能够给用户带来区别于4G的超高速低时延的体验,那就是毫米波。毫米波到底有多火,我们可以先简单梳理一下各国关于“毫米波”的最新动向:

去年 11 月,美国率先释放并完成了三个高频频谱的拍卖工作,并宣布集中重点发展 28GHz 毫米波。韩英德等国也相继完成了高频频段的频谱拍卖,日本也将于今年 3 月分配和美韩波段一样的高频段毫米波频谱。而中国则在去年确定了高中低频段联合组网的设计方案,并完成中频段频谱的划拨,关于毫米波优先研究的规划意见也已经启动;2019 年 2 月,工信部无线电管理局发布《2019年全国无线电管理工作要点》,其中特别提到要适时发布 5G 系统部分毫米波频段频率使用规划,引导 5G 系统毫米波产业发展......

不仅各国政府如此,企业也非常重视“毫米波”:芯片巨头高通不止一次对外谈到“毫米波”的重要性;华为任正非接受央视专访时也重点提到“微波”(也就是毫米波);AT&T、Verizon、Sprint、T-Mobile 等运营商也开始大力购买高频频谱。

5G 的建设为什么如此重视“毫米波”?一些评论者用房地产来类比,高呼“毫米波就是还未开发的 5G 黄金地段”,或“毫米波是5G的‘高速公路’”。

集万众宠爱于一身,毫米波究竟是何方神圣又有何厉害之处,我们不妨用一篇文章探秘。

遇见毫米波

要想搞清楚毫米波是什么之前,先要了解无线电频谱、频段、频率、频道之间的关系。

频谱,你可以理解为记录无线电的不同振荡幅度与不同频率而绘成的图,就像乐谱记录音乐旋律一样;频段,是指一段连续的频率范围(宽度),由于频率一般从 0MHZ~300GHZ,因此可以被分成若干个频段,可大可小(比如 30MHZ~300MHZ 频段被称为HF频段,也就是毫米波频段);频率,就是每秒振荡的次数(这个可以从物理学角度看,反映振动现象最基本的物理量就是频率);频道,可以是两个频率组成的一条通道(就像公路上根据车宽划出的4车道、6车道一样),每条通道是双向的,一条收信息,一条发信息,典型的频道是频率的组合利用。总而言之,频率是度量尺度,频谱是信号,频段、频道是信道媒介(相当于“路”)。

5G路上,绕不开的毫米波

图:无线电的波段划分(来源/百度百科)

而无线通信,不管是音频、语音、视频、还是文件(统称为“信息数据”),要想传播出去,需要把基带的数据调制到一个射频频段,才能够发射出去,这是无线通信命名的初衷。

因此,我们需要一个无线的频谱,来把这些数据经过调制搬到频谱上,才能够从天线发射出去,之后网络才能接收到。反之亦然,网络能发射信号,手机才能接收信号。

所谓毫米波(millimeter wave,简称“mmWave”),指的是波长在 1~10 毫米之间的电磁波,刚才也提到了,通常对应于 30GHz~300GHz 之间的无线电频谱,大家可以根据上边的表格看一下,它是一种频率比较高的电波。

据公开资料显示,人类对毫米波技术的涉足,可以追溯到19世纪90年代,但毫米波技术在最初的约半个世纪里仅仅活跃在实验室里;直到20 世纪60年代,毫米波才在射电天文学中开始早期应用;20世纪70年代,由于毫米波集成电路和毫米波固体器件成功实现量产,毫米波通讯随之发展;20世纪90年代,互联网、无线电通信、汽车雷达等业务量的爆发,推动了毫米波民用技术应运而生。

毫米波的优势非常明显。相对于分米波、厘米波,毫米波的频率更高,而通常电波的频率越高,支撑的数据传输速度就更快,就如同人的语速一样,在同一时间内,语速越快,信息的传达就越多;另外,由于天线长度与波长成正比,因此毫米波更短的波长,也让天线变得更短,可以更好地应用于各种场景;

5G,毫米波的“新大陆”

尽管有这些优点,一直以来,毫米波的应用范围却主要集中在雷达、制导、遥感、辐射测量等军事领域,没有用于民用的移动通信。很长一段时期以来,毫米波频段对于电信产业而言,都是“蛮荒之地”。

当中有一些是产业发展问题:其一,在5G时代以前,毫米波缺乏市场需求,以前的移动应用并不需要这么大的带宽和这么高的数据速率;其二,毫米波太贵,要克服传播损耗、提高覆盖范围,需要大量的金钱投入;其三,毫米波因为频谱高、带宽大、速率高,技术相对不够成熟。

此外,毫米波本身也有一些天然短板:传输过程中信号损耗大,易受阻挡,覆盖距离短——这些固有弱点,让业界很多人认为,毫米波难以支持终端的移动化特性。这里要多解释一下毫米波的传播损耗和信号覆盖的问题,要把毫米波运用于 5G ,这是核心难点所在,因为频率越高,能量散发就越快,传输就越困难,信号越容易衰减。对应到移动通信来说,就是信号越差。

我们同样也可以举例来说明。大家都知道声波和光波,这两种波就分别属于低频率波——声波,和高频率波——光波。我们如果隔着一堵墙对另外一个人说话,频率更低的声波是可以绕过围墙让对方听到的,但是你却看不见对方这个人,因为从对方反射的光波被墙挡住了,无法传输过来。毫米波的信号衰减问题也与此类似。

更雪上加霜的是,毫米波内有一部分频谱,已经被诸如卫星和其他广播使用,而余下的包括 28GHz、39GHz、75GHz等在内的空闲毫米波频谱,是毫米波中的更高频段。

所以之前的2G时代(GSM、CDMA),3G时代(CDMA 、WCDMA),到4G时代(FDD-LTE、TD-LTE),使用的频谱基本都是 6GHz 以下的——这些是当时最优的频谱:首先它们传输性能很好(过去几十年里,这些频谱都是紧着无线通信先用);其次它们对器件的要求也较低。一切都按部就班进行着。

但是随着网络终端的增长和网络应用的普及,低频段日趋饱和,也就是“土地”不够用了。眼看之前的频谱资源就像市中心的房子一样捉襟见肘,这时候,毫米波无疑像一块具有丰富资源的新大陆吸引着人们的目光,尽管毫米波有这样那样的问题,但其自身无法忽视的大带宽高速率的优势以及Sub-6频段资源紧缺的现状让毫米波成为了5G时代的新亮点。

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