毫米波技术演进，刷新5G应用想象力

　　文/Miss周
　　地产界的商人们曾经笑谈，关乎此行业商业成败的因素只有一个：地段，地段，地段！某种程度上，这句话也同样适用于通信行业。所谓＂移动通信要发展，频谱资源需先行＂，蜂窝移动通信系统的「频谱资源」与城市中的「黄金地段」属性类似——备受追捧而又极度稀缺。
　　尤其当移动通信技术发展到第5代，智能终端的使用量持续猛增，人们在手机上看视频、分享照片、玩云游戏，企业通过工业互联网、车联网等来创造万物互联的场景。这也意味着，电磁波要承载且传输比以往多得多的数据，若在原有频谱资源上做文章，无异于针尖上跳舞。因此，挖掘新的频谱资源就被认为是迈向5G之路的关键之举。
　　在5G频谱资源方面，3GPP定义了两个宽泛的5G频率范围，一个是6GHz以下（FR1）频段，另一个是毫米波（FR2）频段。不同于早已被业界熟知的Sub-6GHz频段（4G LTE网络都运行于该频段），毫米波是未经移动通信领域开垦的＂地段＂，也被认为是5G的＂宝藏之地＂。
　　直到2019年，国际电信联盟 (ITU) 的世界无线电通信大会 (WRC-19) 确定了5G毫米波频段用于国际移动通信 (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 频段，这当中约 85% 为国际协同频谱。从这一刻起，全球产业朝着5G毫米波的最佳性能和规模经济影响最大化迈出了坚实的一步。
　　▲ 图：WRC-19 确定5G毫米波频段结果示意图。
　　同时，接下来的两份报告可谓把＂毫米波很重要＂打在了公屏上。在美国，2020年3月，美国联邦通信委员会（FCC）公开了第三次毫米波频谱拍卖（Auction 103），达成76亿美元的天价交易。在中国，GSMA的《5G毫米波在中国的机遇》报告也显示，5G毫米波到2034年对于中国GDP的增长将贡献1040亿美元，几乎占据了5G毫米波给整个亚太区带来的GDP增长的一半。
　　毫米波为何是香饽饽？
　　毫米波的重要，自然与它的天然优势分不开：一是储备，频谱资源丰富，载波带宽可达400MHz-800MHz，无线传输速率可达10Gbps/秒；二是精准，毫米波波束窄，方向性好，有极高的空间分辨能力；三是硬件规格，由于毫米波的波长极短，其元器件更易做小型化。如此等等。
　　这些毫米波的天然优势，与5G其他技术一同，才可能最终实现5G所畅想的更高速率、更大容量和更低时延。
　　▲ 图为毫米波的优势。图片来源/高通。
　　毫米波的优势已初见倪端。在智能手机领域。Ookla最近在美国和英国进行了5G网络速度测试，结果显示，与Sub-6GHz频段相比，5G毫米波终端的实测下载速度快4倍，平均速率高达900Mbps，峰值速率超过2Gbps。900Mbps的速率意味着什么呢？以有声书举例，900Mbps意味着长达10小时的有声书在1秒钟内下载完毕，速度惊人。现在，5G毫米波还能支持4K和8K的室外多媒体内容直播。
　　▲ 图为Ookla在美国测试5G网速结果。图片来源/ Strategy Analytics。
　　Ookla数据还显示，5G毫米波智能手机胜过其他所有智能手机，其平均下载数据速率是 4G LTE的20倍。水不在深，有龙则灵，这些优异的数据表现背后，是核心技术组建的支持。截至2020年7月31日，这些速度最快的5G毫米波手机，都在使用高通公司提供的无线电芯片组和毫米波射频天线封装 (AIP) 模块，高通仍是为5G终端提供毫米波芯片组和射频子系统的唯一芯片产商，在技术上至少领先市场18个月。
　　▲ 图：全球移动设备供应商协会 (GSA) 表示，至少有 95 款支持 5G 的手机已出货，并于2020年7月8日上市。Strategy Analytics 运用SpecTRAX 数据库，统计出 185 款出货上市的型号变体。研究结果显示，在目前支持5G的185款智能手机中，有23款支持了毫米波频段，所有这些5G毫米波手机都在使用高通公司提供的蜂窝无线电芯片组和射频组件。图片来源/ Strategy Analytics。
　　当然，5G毫米波的高速率优势远远不只用来下载有声书、支持直播，也不止于智能手机，5G毫米波在其他领域也大有建树。
　　毫米波低延迟和超快传输速率的特性，可以在密集的城市中心、繁忙的郊区购物区和像体育场馆这样拥挤的开放区域提供超常的容量。比如早在2018年的平昌冬奥会上，毫米波就被应用在了视听转播技术中。随着目前赛事场馆正从过去的有线过渡到无线，全无线场馆正在成为未来的大趋势。根据东京奥运会的全无线媒体服务带宽需求，全球前12大新闻社在每家独享300Mbps的情况下，共需要3.6Gbps带宽，剩下约300人的普通新闻媒体也需要共享6Gbps的带宽。在8月27日举行的GSMA毫米波技术深入解读研讨会上，中国联通研究院李福昌指出，上述的全无线媒体服务带宽需求采用Sub-6GHz频段将很难实现，需要毫米波进行支持。
　　同时，在冬奥会赛场中，除了新闻服务外，全景VR、新型信息交互、智能安防同样需要毫米波的高带宽低延迟特性来助力。爱立信的王卫就在研讨会上分享了相关案例，目前Verizon已经在NFL与NBA的场馆中部署了支持毫米波频段的5G网络，让即便是位置不佳或临时需要离开的观众也可以使用全景VR来实时观看比赛。
　　如此而来，毫米波自然也能为运营商带来效益。比如一方面，5G毫米波系统的高速率和大容量特性，可以提升运营商应对数据流量激增的能力；另一方面，获取毫米波频谱的低成本，还可以为运营商在商业模式和竞争策略方面提供更大的灵活性。
　　▲ 图：Strategy Analytics分析了部分国家的频谱拍卖结果。可以发现运营商获得毫米波频段频谱的成本通常远低于获取中低频段频谱的成本，这使运营商在与有线宽带技术竞争时可以采取更为积极的策略。图片来源/ Strategy Analytics。毫米波移动化必备的功课
　　尽管毫米波存在巨大机遇，但好比开发陌生的地段同样存在挑战一样，要想部署好毫米波，业界也要迈过一道道关卡。
　　毫米波的第一个关卡在于＂覆盖范围有限＂。如前文所述，毫米波较大的路径损耗，意味着覆盖范围仅有几百英尺，因此需要大量小型基站，5G基站的建设数量，对应的就是运营商的建设成本。针对这个问题，高通已经取得了不错的成果。高通公司工程技术高级总监骆涛博士在研讨会上介绍，高通波束成形技术，能够实现超过150米的毫米波传输。该技术不仅通过了仿真实验，在场外测试也得到了验证，意味着毫米波能够实现与现有热点和小基站的共址。同样，如果你有相关基础设施设备，也可以实现与Wi-Fi共址。
　　第二个挑战在于＂超越视距传输和固定传输＂。毫米波的频率限制，意味着电磁波对障碍物的绕过性较差，不突破这个问题，毫米波很难投入商业化运行。在这方面，也有好消息不断出现，在5G设计中，高通引领的波束追踪技术有物理层信号，能够支持快速调整和切换附近的波束，可以很好地利用多路径和反射。意味着，如果信号被遮挡，手机上的另一个模块可以快速找到一条新的传输路径，这种转换从基站内拓展到不同基站间，保证毫米波信号在极具挑战的环境中也能稳定高速传输。该支持视距和非视距（NLOS）传输技术，是毫米波的一个关键解决方案，能够支持信道快速切换。
　　第三个挑战来自＂终端尺寸＂。移动通信产业，始于移动，毫米波终端是否能轻松便携是决定用户体验的根本。在这方面，来自高通的方案已经证明，有了它的毫米波模组，在非常紧凑的尺寸中集成了天线、射频前端、收发器。一部手机可以采用多个这样的毫米波模组，不仅满足智能手机紧凑纤薄的设计需求，同时满足功耗需求并提供最大化的性能。
　　随着关口不断被迈过，毫米波的可行性日益明晰。今年2月，高通在美国圣迭戈市进行了5G毫米波OTA外场测试。为了考验毫米波调制解调器的性能，高通将手机放置于极具挑战性的环境中，例如人流量大且有人群阻挡的场景下测试。另一个极端测试环境是，将手机固定在无人机上，遥控无人机在园区内穿梭飞行。得益于高通波束管理算法，即使在以上种种极具挑战性的环境下，手机仍然能够保持高速网络连接。
　　▲ 如图所示，高通在德国法兰克福市区开始部署了4个gNodeB基站，之后又增加了15个IAB节点，这些节点没有互联网连接，而是通过使用毫米波小基站进行信号回传。结果显示，这样的毫米波部署将网络吞吐量提升了3.4倍。通过对Rel-16及未来版本中的节点算法进行的仿真性测试，终端能够节省37%的电量。图片来源/高通。
　　可以说，高通公司已经克服了毫米波在技术和商业化方面的诸多障碍。不仅仅提供调制解调器，还提供端到端的系统设计，在很多关键技术方面，例如毫米波，都建立了先进的原型系统，对其实际性能进行验证。技术准备好了，5G演进自然泰然自若
　　毫米波的问题不再是问题，基于毫米波等技术的5G的后续演进之路，同样也顺畅起来。
　　在研讨会上，骆涛对此可谓娓娓道来。截至2020年6月，全球已经有60多家运营商部署了商用5G网络，2020年5G手机出货量预计将达到2亿部，但这些5G技术部署都是基于Rel-15版本进行的。
　　总结而言，5G Rel-15侧重于eMBB（增强型移动宽带），应用于智能手机、PC、固定无线接入等终端；6月份刚刚完成的5G标准第二版规范Rel-16将5G扩展到全新行业；在Rel-18/19/20及未来版本，还将有更多惊喜在等着我们。
　　Rel-16最为典型的例子就是汽车行业。5G V2X（车联网）技术正在赋能ADAS（先进驾驶辅助系统）和其它自动驾驶技术，将带来更加安全高效的驾驶体验。此外，Rel-16将引入面向工业物联网的eURLLC（增强型超可靠低时延通信）和TSN（时间敏感网络），以及在免许可频谱部署5G。5G定位也是Rel-16版本中新增的一个重要特性，5G定位将提供比GPS更精准的定位服务，支持地理围栏、资产跟踪、室内定位等诸多用例。
　　而Rel-16项目又引入了哪些支持毫米波的5G NR增强特性呢？很多。比如集成接入及回传（IAB，Integrated Access Backhaul），该技术支持小基站灵活部署，在接入和回传中重用频谱和设备，以节省开支。Rel-16还引入增强型波束管理，通过全波束优化和多天线面板波束支持以改善时延、鲁棒性和性能。Rel-16中的双连接优化，可以帮助降低终端初始接入时延，并在连接多个节点时改善覆盖。Rel-16中的定位技术，能初步满足定位精度需求，80%的情况下可实现室内3米和室外10米的定位精度。
　　这里细说一下IAB，是如何助力灵活部署、节省开支的。如下图所示，sub-6GHz频段基站的覆盖范围通过大圆圈来表示，共有4个IAB，每个IAB可以提供接入和回传的功能，分别服务一些用户。用IAB连接光纤，用无线作为回传，能够减少成本，帮助一些国家减少维持光纤部署的高昂成本。
　　再用一个案例直观展示IAB的效果（如下图）。2020年MWC期间，高通在法兰克福市中心，约一平方公里的范围，部署了7个gNodeB，放了400个毫米波终端，并且我们在周围部署了28个IAB节点。对比图片下方的情况（绿色表示覆盖情况良好，红色表示覆盖不佳），相比无IAB，部署了IAB之后，整个覆盖范围明显增加，网络吞吐量也得到提升。
　　Rel-17目前仅处于初始阶段。在Rel-17中，将引入低复杂度NR-Light，支持5G应用于智能手表等小型终端、以及智慧城市的传感器和水表电表。骆涛说，在Rel-17中，高通公司正持续推动无界XR（扩展现实）的研究。尽管目前AR和VR都已经得以部署，相关用例已经出现，但是高通正致力于提升XR终端的技术能力、可靠性、容量和能效。当然，Rel-17将赋能更多全新服务，充分利用全新频谱资源。
　　Rel-17及未来版本项目还会有更多的增强特性和毫米波相关。比如，优化IAB支持分布式部署，这项增强特性能够帮助引入全双工运行和移动中继（例如汽车），以提升容量、覆盖和服务质量；Rel-17及未来版本还将引入优化的网络覆盖和波束管理，减少系统开销、增强性能、提高网络覆盖。
　　Rel-17及未来版本中，频谱将进一步扩展，支持从52.6GHz到71GHz的频段以及免许可频谱，这将极大拓展频谱的利用范围。未来版本还将支持eMBB之外的全新用例，将毫米波支持扩展至直连通信、URLLC和工业物联网用例，同时还将支持增强定位技术，为广泛用例提供定位性能增强，实现厘米级精度，更低时延和更高的容量。
　　十年磨一G，如今5G已然迈过起点，正进入加速跑道。就如同4G的出现，没有人会想到短视频会爆发一样，有了毫米波等技术的加成，未来必将有更多＂5G杀手级应用＂在等着被发现，等待消费者的体验。