5G啟用毫米波頻譜：哪些頻率會(huì)被采用？

隨著世界標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)著手定義下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，5G的愿景正在迫使研究人員改變他們的思考方式。增加4G網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率并不足以提供三個(gè)高級(jí)5G用例所需的數(shù)據(jù)速率、延遲和容量（圖1），這三個(gè)用例由3GPP定義，期望未來(lái)能夠提供無(wú)處不在的瞬間移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)。

圖1. 這三個(gè)5G用例是由3GPP和IMT-2020定義的。

增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)用例由IMT-2020定義，該用例設(shè)想了一個(gè)超過(guò)10Gbps的峰值數(shù)據(jù)速率，是4G網(wǎng)絡(luò)的100倍。經(jīng)實(shí)踐證明，數(shù)據(jù)速率與可用頻譜直接相關(guān)，而根據(jù)香農(nóng)定理，容量是帶寬（即頻譜）和信道噪聲的函數(shù)。低于6GHz的頻譜已經(jīng)分配殆盡，而6GHz以上的頻譜，特別是毫米波頻率已經(jīng)成為一個(gè)非常有前景的替代方案來(lái)實(shí)現(xiàn)eMBB用例。但是，哪些毫米波頻率會(huì)被采用呢？

頻譜選項(xiàng)

國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)和3GPP在關(guān)于5G標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)研究階段的計(jì)劃上已經(jīng)達(dá)成了一致。第一階段主要研究低于40GHz的頻率，致力于在2018年9月之前解決一些更緊迫的商業(yè)需求；第二階段從2018年開(kāi)始，到2019年12月，致力于解決IMT-2020提出的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)。第二階段的焦點(diǎn)是高達(dá)100GHz的頻率。

為了在毫米波頻率標(biāo)準(zhǔn)化上達(dá)成全球一致，ITU在去年11月舉行的世界無(wú)線電通信大會(huì)(WRC-15)上公布了一個(gè)擬定的24GHz~86GHz范圍內(nèi)的全球可行頻率列表，如表1所示。國(guó)際電聯(lián)發(fā)布該提案不久，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)于2015年10月21日發(fā)布了一條規(guī)則制定建議通知(NPRM)，推薦了28GHz、37GHz、39GHz和64-71GHz頻段的新靈活服務(wù)規(guī)則（如圖2所示）。

圖2. FCC提議用于移動(dòng)通信的毫米波頻段。

盡管ITU、3GPP等標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將2020年定為對(duì)5G標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義的最后期限，但移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商正在加快5G服務(wù)的時(shí)間進(jìn)度。在美國(guó)，Verizon和AT＆T計(jì)劃在2017年對(duì)5G的早期版本進(jìn)行測(cè)試。韓國(guó)打算在2018年的冬奧會(huì)上進(jìn)行5G試驗(yàn)，而日本則想要在2020年的東京奧運(yùn)會(huì)上展示5G技術(shù)。經(jīng)過(guò)各方組織的努力和推動(dòng)，目前最有可能用于5G的候選頻率包括：28GHz、39GHz和73GHz。

這三個(gè)頻段的提出有以下幾個(gè)原因。首先，60GHz的頻率由于氧吸收的原因會(huì)產(chǎn)生大約20dB/km的衰減，與60GHz不同的是，這些頻率的氧吸收率低得多。這使其有可能適用于長(zhǎng)距離通信。這些頻率在多徑環(huán)境下也能可靠運(yùn)行，可用于非視距(NLoS)通信。通過(guò)將波束賦形和波束跟蹤與高度定向天線結(jié)合，毫米波可以提供可靠且非常安全的鏈路。紐約大學(xué)工程學(xué)院的Ted Rappaport博士和他的學(xué)生已經(jīng)開(kāi)始了28GHz、39GHz和73GHz信道特性和潛在性能的研究。他們已經(jīng)發(fā)表了多篇關(guān)于傳播測(cè)量的論文以及這些頻率的可能服務(wù)中斷研究。這些頻率的數(shù)據(jù)和研究結(jié)合全球頻譜的可用性，使這三個(gè)頻率成為毫米波原型驗(yàn)證的起點(diǎn)。

服務(wù)供應(yīng)商都渴望獲得這些大量未分配的毫米波頻譜，他們是決定5G使用哪些頻率的關(guān)鍵力量。在日本，NTT DoCoMo與諾基亞、三星、愛(ài)立信、華為和富士通合作，對(duì)28GHz以及其它頻率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。2015年2月，三星進(jìn)行了信道測(cè)量，并證明了28GHz是蜂窩通信的一個(gè)可行頻率。這些測(cè)量驗(yàn)證了城市環(huán)境中的預(yù)期路徑衰減：非視距鏈路的路徑衰減指數(shù)是3.53。三星表示，該數(shù)據(jù)表明毫米波通信鏈路可以支持超過(guò)200米的距離。其研究還包括相控陣天線方面的工作。三星已經(jīng)開(kāi)始對(duì)可能適合手機(jī)相控陣列的設(shè)計(jì)進(jìn)行特性分析。

2015年9月，Verizon公司宣布將在2016年與三星等重要合作伙伴開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。2015年11月，高通使用128根天線在28GHz頻率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，演示密集城市環(huán)境下的毫米波技術(shù)。它展示了定向波束賦形在非視距通信中的應(yīng)用。隨著FCC宣布28GHz可用于移動(dòng)通信，預(yù)計(jì)美國(guó)將進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。Verizon公司還與XO CommunicaTIons簽訂了28GHz頻譜租賃協(xié)議，可在2018年年底前購(gòu)買該頻譜。

但是請(qǐng)注意，28GHz頻帶并不包含在國(guó)際電聯(lián)的全球可行頻率列表中。它是否將成為5G毫米波應(yīng)用的長(zhǎng)期頻率選擇仍有待確定。無(wú)論全球標(biāo)準(zhǔn)如何制定，美國(guó)、韓國(guó)、日本的頻譜可用性，以及美國(guó)服務(wù)提供商對(duì)早期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的承諾有可能將28GHz引入到美國(guó)移動(dòng)技術(shù)中。在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)最終確定5G標(biāo)準(zhǔn)之前，韓國(guó)希望在2018年冬奧會(huì)上展示5G技術(shù)的愿望也將會(huì)推動(dòng)28GHz應(yīng)用到消費(fèi)產(chǎn)品中。事實(shí)上，該頻率并沒(méi)有因?yàn)椴辉趪?guó)際移動(dòng)通信(IMT)頻譜名單上而被忽視，反而引起了FCC的注意。

2016年7月14日，全體委員一致投票贊成開(kāi)放近11GHz高頻頻譜用于靈活、移動(dòng)和固定無(wú)線寬帶的規(guī)則，其中包括3.85GHz需許可的頻譜和7GHz免許可頻譜。這些規(guī)則還在28GHz (27.5-28.35GHz)、37GHz (37-38.6GHz)和39GHz (38.6-40GHz)頻段，以及一個(gè)新的免許可頻段64-71GHz推出一項(xiàng)新的超高微波靈活應(yīng)用（Upper Microwave Flexible Use）服務(wù)。

雖然28GHz可能不會(huì)在全球范圍內(nèi)用于移動(dòng)通信，但美國(guó)正在積極地朝這個(gè)方向前進(jìn)。

原型驗(yàn)證推動(dòng)毫米波研究的進(jìn)展

盡管5G廣泛采用28GHz頻率可能還需要很長(zhǎng)的時(shí)間，但就目前來(lái)說(shuō)，該頻率顯然非常重要。過(guò)去幾年的移動(dòng)通信主要專注于73GHz（E頻段）。諾基亞使用紐約大學(xué)在73GHz下的信道測(cè)量結(jié)果，開(kāi)始其對(duì)該頻率的研究。在2014年NI公司的年度用戶大會(huì)NIWeek上，諾基亞使用NI原型硬件演示了第一個(gè)在73GHz下工作的無(wú)線demo。該公司將持續(xù)改進(jìn)這個(gè)原型，并向公眾展示這些最新的成就。在2015年世界移動(dòng)通信大會(huì)(MWC)上，該原型系統(tǒng)使用透鏡天線和波束跟蹤，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)2Gbps數(shù)據(jù)吞吐量。諾基亞在2015年布魯克林5G峰會(huì)上展示了該系統(tǒng)的MIMO版本，其運(yùn)行速率超過(guò)10Gbps，而且在之后不到一年的時(shí)間里，諾基亞又在2016年的MWC展示了一個(gè)超過(guò)14Gbps的雙向無(wú)線鏈路。諾基亞并不是唯一一家在MWC2016上展示73GHz demo的公司，華為也展示了一個(gè)與德國(guó)電信合作開(kāi)發(fā)的73GHz工作原型。該demo采用多用戶MIMO機(jī)制，展示了高頻譜利用率以及可為個(gè)人用戶提供超過(guò)20Gbps吞吐量的潛力。

未來(lái)幾年預(yù)期會(huì)有更多關(guān)于73GHz的研究。該頻率不同于28GHz和39GHz的一個(gè)重要特性是可用的連續(xù)帶寬很高（大于2GHz），這是目前提出的最寬的頻譜。通過(guò)比較，28GHz提供了850MHz的帶寬，在美國(guó)，39GHz附近的兩個(gè)頻帶提供了1.6GHz和1.4GHz帶寬。我們前面說(shuō)過(guò)，更高的帶寬意味著更高的數(shù)據(jù)吞吐量，這使得73GHz在這一方面比其他頻率更有優(yōu)勢(shì)。

39GHz頻帶正在研究當(dāng)中，但尚未得到公眾的大量支持和關(guān)注。但是，該頻段具有的部分特性使其可能成為一個(gè)折中的選擇來(lái)獲得廣泛應(yīng)用。FCC提議將39GHz作為可能的移動(dòng)頻率。Verizon公司在專注于2017年的28GHz首次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的同時(shí)，已經(jīng)通過(guò)其與XO CommunicaTIons的業(yè)務(wù)關(guān)系開(kāi)始研究39GHz，XO CommunicaTIons已經(jīng)擁有39GHz的實(shí)質(zhì)許可證。但是，公眾對(duì)28GHz和73GHz的支持和研究顯然比對(duì)其它頻率的更為明顯。

為了利用毫米波來(lái)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)，研究人員必須開(kāi)發(fā)新的技術(shù)、算法和通信協(xié)議，因?yàn)楹撩撞ㄐ诺赖幕拘再|(zhì)與當(dāng)前的蜂窩模式截然不同，并且是相對(duì)未知的。建立毫米波原型的重要性再怎么強(qiáng)調(diào)都不過(guò)分，尤其是在時(shí)間如此緊迫的情況下。建立毫米波系統(tǒng)原型可通過(guò)某種方式展示某個(gè)技術(shù)或概念的可行性，這是通過(guò)仿真無(wú)法實(shí)現(xiàn)的（如圖3所示）。毫米波原型可在各種場(chǎng)景下通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，這揭開(kāi)了毫米波信道的本質(zhì)，為創(chuàng)新、技術(shù)的采用和普及提供了可能性。

圖3. NI mmWave收發(fā)儀系統(tǒng)提供了一組可配置的毫米波原型硬件以及一個(gè)包含源代碼的毫米波物理層。

挑戰(zhàn)

毫米波用于移動(dòng)通信給工程師帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)，包括商用現(xiàn)成硅芯片的可用性、模擬組件以及其它用于開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的元素構(gòu)建塊。這阻礙了該技術(shù)的商業(yè)化。設(shè)想一個(gè)能夠處理多千兆赫茲信號(hào)的基帶子系統(tǒng)。當(dāng)今大多數(shù)的LTE方案通常使用10MHz的信道（最大20MHz），并且計(jì)算負(fù)荷隨著帶寬的增加而線性增加。換句話說(shuō)，計(jì)算能力必須以100倍甚至更多的倍數(shù)增加才能解決5G數(shù)據(jù)速率需求。如果要執(zhí)行基礎(chǔ)設(shè)施的毫米波系統(tǒng)物理層計(jì)算，F(xiàn)PGA將是開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)原型的關(guān)鍵技術(shù)。畢竟,推動(dòng)毫米波技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力是大量連續(xù)帶寬。

除了FPGA板卡，毫米波原型系統(tǒng)還需要最先進(jìn)的DAC和ADC來(lái)捕獲高達(dá)2GHz的連續(xù)帶寬。目前市場(chǎng)上的一些射頻集成電路包含了可將基帶和毫米波頻率相互轉(zhuǎn)換的芯片，但選擇非常有限，而且大部分覆蓋免許可的60GHz頻帶。工程師們可以使用IF和RF級(jí)來(lái)替代RFIC。開(kāi)發(fā)出基帶和IF解決方案后，工程師可以選擇由供應(yīng)商提供的毫米波射頻頭，而不需要自己開(kāi)發(fā)RFIC，但這樣的產(chǎn)品仍然不是很多。開(kāi)發(fā)毫米波射頻頭需要射頻和微波設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)。這與開(kāi)發(fā)FPGA板卡完全不同，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)所有必需的硬件需要一個(gè)具備不同專業(yè)知識(shí)的團(tuán)隊(duì)。在開(kāi)發(fā)毫米波基帶原型系統(tǒng)時(shí)，F(xiàn)PGA必須作為核心組件進(jìn)行考慮，而且給能夠處理數(shù)千兆赫茲信道的多FPGA系統(tǒng)編程會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性。

毫米波勢(shì)在必行

盡管5G的未來(lái)尚不明朗，但毫米波無(wú)疑將成為定義5G的關(guān)鍵技術(shù)。我們需要24GHz以上的大量連續(xù)帶寬才能滿足數(shù)據(jù)吞吐率要求，研究人員已經(jīng)通過(guò)原型來(lái)展示毫米波技術(shù)可以提供超過(guò)14Gbps的數(shù)據(jù)速率。盡管全球頻譜分配仍然存在許多問(wèn)題，但美國(guó)正毫不猶豫地朝著28、37和39GHz方向前進(jìn)。

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