“移動通信要發(fā)展，頻譜資源需先行”。
地產界的商人們曾經笑談，關乎此行業(yè)商業(yè)成敗的因素只有一個：地段，地段，地段！某種程度上，這句話也同樣適用于通信行業(yè)。所謂“移動通信要發(fā)展，頻譜資源需先行”，蜂窩移動通信系統(tǒng)的「頻譜資源」與城市中的「黃金地段」屬性類似——備受追捧而又極度稀缺。
尤其當移動通信技術發(fā)展到第5代，智能終端的使用量持續(xù)猛增，人們在手機上看視頻、分享照片、玩云游戲，企業(yè)通過工業(yè)互聯(lián)網、車聯(lián)網等來創(chuàng)造萬物互聯(lián)的場景。這也意味著，電磁波要承載且傳輸比以往多得多的數據，若在原有頻譜資源上做文章，無異于針尖上跳舞。因此，挖掘新的頻譜資源就被認為是邁向5G之路的關鍵之舉。
在5G頻譜資源方面，3GPP定義了兩個寬泛的5G頻率范圍，一個是6GHz以下（FR1）頻段，另一個是毫米波（FR2）頻段。不同于早已被業(yè)界熟知的Sub-6GHz頻段（4G LTE網絡都運行于該頻段），毫米波是未經移動通信領域開墾的“地段”，也被認為是5G的“寶藏之地”。
直到2019年，國際電信聯(lián)盟 (ITU) 的世界無線電通信大會 (WRC-19) 確定了5G毫米波頻段用于國際移動通信 (IMT)，其中包括 24.25-27.5 GHz、37-43.5 GHz、45.5-47 GHz、47.2-48.3 GHz 和 66-71 GHz 頻段，這當中約 85% 為國際協(xié)同頻譜。從這一刻起，全球產業(yè)朝著5G毫米波的最佳性能和規(guī)模經濟影響最大化邁出了堅實的一步。
▲ 圖：WRC-19 確定5G毫米波頻段結果示意圖。
同時，接下來的兩份報告可謂把“毫米波很重要”打在了公屏上。在美國，2020年3月，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）公開了第三次毫米波頻譜拍賣（Auction 103），達成76億美元的天價交易。在中國，GSMA的《5G毫米波在中國的機遇》報告也顯示，5G毫米波到2034年對于中國GDP的增長將貢獻1040億美元，幾乎占據了5G毫米波給整個亞太區(qū)帶來的GDP增長的一半。
毫米波為何是香餑餑？
毫米波的重要，自然與它的天然優(yōu)勢分不開：一是儲備，頻譜資源豐富，載波帶寬可達400MHz-800MHz，無線傳輸速率可達10Gbps/秒；二是精準，毫米波波束窄，方向性好，有極高的空間分辨能力；三是硬件規(guī)格，由于毫米波的波長極短，其元器件更易做小型化。如此等等。
這些毫米波的天然優(yōu)勢，與5G其他技術一同，才可能最終實現5G所暢想的更高速率、更大容量和更低時延。
▲ 圖為毫米波的優(yōu)勢。圖片來源/高通。
毫米波的優(yōu)勢已初見倪端。在智能手機領域。Ookla最近在美國和英國進行了5G網絡速度測試，結果顯示，與Sub-6GHz頻段相比，5G毫米波終端的實測下載速度快4倍，平均速率高達900Mbps，峰值速率超過2Gbps。900Mbps的速率意味著什么呢？以有聲書舉例，900Mbps意味著長達10小時的有聲書在1秒鐘內下載完畢，速度驚人?，F在，5G毫米波還能支持4K和8K的室外多媒體內容直播。
▲ 圖為Ookla在美國測試5G網速結果。圖片來源/ Strategy Analytics。
Ookla數據還顯示，5G毫米波智能手機勝過其他所有智能手機，其平均下載數據速率是 4G LTE的20倍。水不在深，有龍則靈，這些優(yōu)異的數據表現背后，是核心技術組建的支持。截至2020年7月31日，這些速度最快的5G毫米波手機，都在使用高通公司提供的無線電芯片組和毫米波射頻天線封裝 (AIP) 模塊，高通仍是為5G終端提供毫米波芯片組和射頻子系統(tǒng)的唯一芯片產商，在技術上至少領先市場18個月。
▲ 圖：全球移動設備供應商協(xié)會 (GSA) 表示，至少有 95 款支持 5G 的手機已出貨，并于2020年7月8日上市。Strategy Analytics 運用SpecTRAX 數據庫，統(tǒng)計出 185 款出貨上市的型號變體。研究結果顯示，在目前支持5G的185款智能手機中，有23款支持了毫米波頻段，所有這些5G毫米波手機都在使用高通公司提供的蜂窩無線電芯片組和射頻組件。圖片來源/ Strategy Analytics。
當然，5G毫米波的高速率優(yōu)勢遠遠不只用來下載有聲書、支持直播，也不止于智能手機，5G毫米波在其他領域也大有建樹。
毫米波低延遲和超快傳輸速率的特性，可以在密集的城市中心、繁忙的郊區(qū)購物區(qū)和像體育場館這樣擁擠的開放區(qū)域提供超常的容量。比如早在2018年的平昌冬奧會上，毫米波就被應用在了視聽轉播技術中。隨著目前賽事場館正從過去的有線過渡到無線，全無線場館正在成為未來的大趨勢。根據東京奧運會的全無線媒體服務帶寬需求，全球前12大新聞社在每家獨享300Mbps的情況下，共需要3.6Gbps帶寬，剩下約300人的普通新聞媒體也需要共享6Gbps的帶寬。在8月27日舉行的GSMA毫米波技術深入解讀研討會上，中國聯(lián)通研究院李福昌指出，上述的全無線媒體服務帶寬需求采用Sub-6GHz頻段將很難實現，需要毫米波進行支持。
同時，在冬奧會賽場中，除了新聞服務外，全景VR、新型信息交互、智能安防同樣需要毫米波的高帶寬低延遲特性來助力。愛立信的王衛(wèi)就在研討會上分享了相關案例，目前Verizon已經在NFL與NBA的場館中部署了支持毫米波頻段的5G網絡，讓即便是位置不佳或臨時需要離開的觀眾也可以使用全景VR來實時觀看比賽。
如此而來，毫米波自然也能為運營商帶來效益。一方面，5G毫米波系統(tǒng)的高速率和大容量特性，可以提升運營商應對數據流量激增的能力；另一方面，獲取毫米波頻譜的低成本，還可以為運營商在商業(yè)模式和競爭策略方面提供更大的靈活性。
▲ 圖：Strategy Analytics分析了部分國家的頻譜拍賣結果?？梢园l(fā)現運營商獲得毫米波頻段頻譜的成本通常遠低于獲取中低頻段頻譜的成本，這使運營商在與有線寬帶技術競爭時可以采取更為積極的策略。圖片來源/ Strategy Analytics。
毫米波移動化必備的功課
盡管毫米波存在巨大機遇，但好比開發(fā)陌生的地段同樣存在挑戰(zhàn)一樣，要想部署好毫米波，業(yè)界也要邁過一道道關卡。
毫米波的第一個關卡在于“覆蓋范圍有限”。如前文所述，毫米波較大的路徑損耗，意味著覆蓋范圍僅有幾百英尺，因此需要大量小型基站，5G基站的建設數量，對應的就是運營商的建設成本。針對這個問題，高通已經取得了不錯的成果。高通公司工程技術高級總監(jiān)駱濤博士在研討會上介紹，高通波束成形技術，能夠實現超過150米的毫米波傳輸。該技術不僅通過了仿真實驗，在場外測試也得到了驗證，意味著毫米波能夠實現與現有熱點和小基站的共址。同樣，如果你有相關基礎設施設備，也可以實現與Wi-Fi共址。
第二個挑戰(zhàn)在于“超越視距傳輸和固定傳輸”。毫米波的頻率限制，意味著電磁波對障礙物的繞過性較差，不突破這個問題，毫米波很難投入商業(yè)化運行。在這方面，也有好消息不斷出現，在5G設計中，高通引領的波束追蹤技術有物理層信號，能夠支持快速調整和切換附近的波束，可以很好地利用多路徑和反射。意味著，如果信號被遮擋，手機上的另一個模塊可以快速找到一條新的傳輸路徑，這種轉換從基站內拓展到不同基站間，保證毫米波信號在極具挑戰(zhàn)的環(huán)境中也能穩(wěn)定高速傳輸。該支持視距和非視距（NLOS）傳輸技術，是毫米波的一個關鍵解決方案，能夠支持信道快速切換。
第三個挑戰(zhàn)來自“終端尺寸”。移動通信產業(yè)，始于移動，毫米波終端是否能輕松便攜是決定用戶體驗的根本。在這方面，來自高通的方案已經證明，有了它的毫米波模組，在非常緊湊的尺寸中集成了天線、射頻前端、收發(fā)器。一部手機可以采用多個這樣的毫米波模組，不僅滿足智能手機緊湊纖薄的設計需求，同時滿足功耗需求并提供最大化的性能。
隨著關口不斷被邁過，毫米波的可行性日益明晰。今年2月，高通在美國圣迭戈市進行了5G毫米波OTA外場測試。為了考驗毫米波調制解調器的性能，高通將手機放置于極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，例如人流量大且有人群阻擋的場景下測試。另一個極端測試環(huán)境是，將手機固定在無人機上，遙控無人機在園區(qū)內穿梭飛行。得益于高通波束管理算法，即使在以上種種極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境下，手機仍然能夠保持高速網絡連接。
▲ 如圖所示，高通在德國法蘭克福市區(qū)開始部署了4個gNodeB基站，之后又增加了15個IAB節(jié)點，這些節(jié)點沒有互聯(lián)網連接，而是通過使用毫米波小基站進行信號回傳。結果顯示，這樣的毫米波部署將網絡吞吐量提升了3.4倍。通過對Rel-16及未來版本中的節(jié)點算法進行的仿真性測試，終端能夠節(jié)省37%的電量。圖片來源/高通。
可以說，高通公司已經克服了毫米波在技術和商業(yè)化方面的諸多障礙。不僅僅提供調制解調器，還提供端到端的系統(tǒng)設計，在很多關鍵技術方面，例如毫米波，都建立了先進的原型系統(tǒng)，對其實際性能進行驗證。
技術準備好了，5G演進自然泰然自若
毫米波的問題不再是問題，基于毫米波等技術的5G的后續(xù)演進之路，同樣也順暢起來。
在研討會上，駱濤對此可謂娓娓道來。截至2020年6月，全球已經有60多家運營商部署了商用5G網絡，2020年5G手機出貨量預計將達到2億部，但這些5G技術部署都是基于Rel-15版本進行的。
總結而言，5G Rel-15側重于eMBB（增強型移動寬帶），應用于智能手機、PC、固定無線接入等終端；6月份剛剛完成的5G標準第二版規(guī)范Rel-16將5G擴展到全新行業(yè)；在Rel-18/19/20及未來版本，還將有更多驚喜在等著我們。
Rel-16最為典型的例子就是汽車行業(yè)。5G V2X（車聯(lián)網）技術正在賦能ADAS（先進駕駛輔助系統(tǒng)）和其它自動駕駛技術，將帶來更加安全高效的駕駛體驗。此外，Rel-16將引入面向工業(yè)物聯(lián)網的eURLLC（增強型超可靠低時延通信）和TSN（時間敏感網絡），以及在免許可頻譜部署5G。5G定位也是Rel-16版本中新增的一個重要特性，5G定位將提供比GPS更精準的定位服務，支持地理圍欄、資產跟蹤、室內定位等諸多用例。
而Rel-16項目又引入了哪些支持毫米波的5G NR增強特性呢？很多。比如集成接入及回傳（IAB，Integrated Access Backhaul），該技術支持小基站靈活部署，在接入和回傳中重用頻譜和設備，以節(jié)省開支。Rel-16還引入增強型波束管理，通過全波束優(yōu)化和多天線面板波束支持以改善時延、魯棒性和性能。Rel-16中的雙連接優(yōu)化，可以幫助降低終端初始接入時延，并在連接多個節(jié)點時改善覆蓋。Rel-16中的定位技術，能初步滿足定位精度需求，80%的情況下可實現室內3米和室外10米的定位精度。
這里細說一下IAB，是如何助力靈活部署、節(jié)省開支的。如下圖所示，sub-6GHz頻段基站的覆蓋范圍通過大圓圈來表示，共有4個IAB，每個IAB可以提供接入和回傳的功能，分別服務一些用戶。用IAB連接光纖，用無線作為回傳，能夠減少成本，幫助一些國家減少維持光纖部署的高昂成本。
再用一個案例直觀展示IAB的效果（如下圖）。2020年MWC期間，高通在法蘭克福市中心，約一平方公里的范圍，部署了7個gNodeB，放了400個毫米波終端，并且我們在周圍部署了28個IAB節(jié)點。對比圖片下方的情況（綠色表示覆蓋情況良好，紅色表示覆蓋不佳），相比無IAB，部署了IAB之后，整個覆蓋范圍明顯增加，網絡吞吐量也得到提升。
Rel-17目前僅處于初始階段。在Rel-17中，將引入低復雜度NR-Light，支持5G應用于智能手表等小型終端、以及智慧城市的傳感器和水表電表。駱濤說，在Rel-17中，高通公司正持續(xù)推動無界XR（擴展現實）的研究。盡管目前AR和VR都已經得以部署，相關用例已經出現，但是高通正致力于提升XR終端的技術能力、可靠性、容量和能效。當然，Rel-17將賦能更多全新服務，充分利用全新頻譜資源。
Rel-17及未來版本項目還會有更多的增強特性和毫米波相關。比如，優(yōu)化IAB支持分布式部署，這項增強特性能夠幫助引入全雙工運行和移動中繼（例如汽車），以提升容量、覆蓋和服務質量；Rel-17及未來版本還將引入優(yōu)化的網絡覆蓋和波束管理，減少系統(tǒng)開銷、增強性能、提高網絡覆蓋。
Rel-17及未來版本中，頻譜將進一步擴展，支持從52.6GHz到71GHz的頻段以及免許可頻譜，這將極大拓展頻譜的利用范圍。未來版本還將支持eMBB之外的全新用例，將毫米波支持擴展至直連通信、URLLC和工業(yè)物聯(lián)網用例，同時還將支持增強定位技術，為廣泛用例提供定位性能增強，實現厘米級精度，更低時延和更高的容量。
十年磨一G，如今5G已然邁過起點，正進入加速跑道。就如同4G的出現，沒有人會想到短視頻會爆發(fā)一樣，有了毫米波等技術的加成，未來必將有更多“5G殺手級應用”在等著被發(fā)現，等待消費者的體驗。
