為什么5G要使用毫米波？

根據3GPP 38.101協議的規(guī)定,5G NR主要使用兩段頻率:FR1頻段和FR2頻段。FR1頻段的頻率范圍是450MHz——6GHz,又叫sub 6GHz頻段;FR2頻段的頻率范圍是24.25GHz——52.6GHz,人們通常叫它毫米波(mmWave)。

    有人認為,毫米波(mmWave)只能指EHF頻段,即頻率范圍是30GHz——300GHz的電磁波。因為30GHz電磁波的波長是10毫米,300GHz電磁波的波長是1毫米。24.25GHz電磁波的波長是12.37毫米,可以叫它毫米波,也可以叫它厘米波。但是實際上,毫米波只是個約定俗成的名稱,沒有哪個組織對其有過嚴格的定義。有人認為,頻率范圍在20GHz(波長15毫米)——300GHz之間的電磁波都可以算毫米波。

    在很長一段歷史時期,毫米波段屬于蠻荒之地。為什么呢?原因很簡單,因為幾乎沒有電子元件或設備能夠發(fā)送或者接收毫米波。為什么沒有電子設備發(fā)送或者接收毫米波?有兩個原因。第一個原因是,毫米波不實用。雖然毫米波能提供更大的帶寬,更高的數據速率,但是以前的移動應用不需要這么大的帶寬和這么高的數據速率,毫米波沒有市場需求。而且毫米波還有一些明顯的限制,比如傳播損耗太大,覆蓋范圍太小等等。第二個原因是,毫米波太貴。生產能工作于毫米波頻段的亞微米尺寸的集成電路元件一直是一大挑戰(zhàn)?？朔鞑p耗、提高覆蓋范圍也意味著大把的金錢投入。但是,近十幾年以來,一切都改變了。

    隨著移動通信的飛速發(fā)展,30GHz之內的頻率資源幾乎被用完了。各國政府和國際標準化組織已經把所有的“好”頻率都分配完畢,但還是存在頻率短缺和頻率沖突。4G蜂窩系統(tǒng)的發(fā)展以及即將到來5G都依賴于合適的頻率分配。問題是,幾乎沒剩下什么頻率了?，F在,頻率就像房子,可以用一個字來形容,“貴”!對房子來說,第一是地段,第二是地段,第三還是地段。這樣的描述同樣適用于無線頻率。

    毫米波就像美洲新大陸,給移動用戶和移動運營商提供了“無窮無盡”的頻率資源。你可以把現在我們使用的所有sub 30GHz頻段填到毫米波段的低端區(qū)域,還有至少240GHz的空閑頻率。

  毫米波帶來了大帶寬和高速率?；趕ub6GHz頻段的4G LTE蜂窩系統(tǒng)可以使用的最大帶寬是100MHz,數據速率不超過1Gbps。而在毫米波頻段,移動應用可以使用的最大帶寬是400MHz,數據速率高達10Gbps甚至更多。

  需求總是創(chuàng)新的最大動力。生產出價廉物美的毫米波頻段集成電路元件的技術難題迅速被攻克。通過使用SiGe、GaAs、InP、GaN等新材料,以及新的生產工藝,工作于毫米波段的芯片上已經集成了小至幾十甚至幾納米的晶體管,大大降低了成本。

   現在我們能夠隨意使用20GHz到300GHz之間的任意毫米波嗎?還不是。有人把常用的毫米波段分成四段:Ka波段26.5GHz~ 40GHz;Q波段:33GHz~50GHz;V波段:50GHz~70GHz;W波段:75GHz~ 110GHz。3GPP協議38.101-2 Table 5.2-1為5G NR FR2波段定義了3段頻率,分別是:n257(26.5GHz~29.5GHz),n258(24.25GHz~27.5GHz)和n260(37GHz~40GHz),都使用TDD制式。美國FCC則建議5G NR使用以下頻段:24-25 GHz (24.25-24.45/24.75-25.25 GHz)、32GHz (31.8-33.4 GHz)、42 GHz (42-42.5 GHz)、48 GHz (47.2-50.2 GHz)、51 GHz (50.4-52.6GHz)、70 GHz (71-76 GHz)和80 GHz(81-86 GHz),同時建議研究用高于95GHz的頻率來承載5G。

  為什么不能隨意使用毫米波頻率呢?除了規(guī)?；洕б娴目紤]之外,毫米波中有些頻率的“地段”特別差。這里,影響“地段”的因素是空氣,所以確切地說應該是這些頻率的“天段”特別差。無線電波在傳播時,大氣會選擇性地吸收某些頻率(波長)的電磁波,造成這些電磁波的傳播損耗特別嚴重。吸收電磁波的主要是兩種大氣成分:氧氣和水蒸氣。水蒸氣引起的共振會吸收22GHz和183 GHz附近的電磁波,而氧氣的共振吸收影響的是60GHz和120 GHz附近的電磁波。所以我們可以看到,不管哪個組織分配毫米波資源,都會避開這4個頻率附近的頻段。而高于95GHz的毫米波由于技術上的難度,暫時還不做考慮。

    除了這個只能避開的“天段”因素,毫米波的其它限制我們只能面對,并且想辦法克服。否則,毫米波就無法使用。

   最關鍵的限制之一是毫米波的傳播距離實在有限。物理定律告訴我們,在發(fā)射功率不變的情況下,波長越短,傳播距離越短。在很多場景下,這個限制會導致毫米波的傳播距離超不過10米。根據理想化的自由空間傳播損耗公式,傳播損耗L=92.4+20log(f)+20log(R),其中f是單位為GHz的頻率,R是單位為公里的距離,而L的單位是dB。一個70GHz的毫米波傳播10米遠之后,損耗就達到了89.3dB。而在非理想的傳播條件下,傳播損耗還要大得多。毫米波系統(tǒng)的開發(fā)者必須通過提高發(fā)射功率、提高天線增益、提高接收靈敏度等方法來補償這么大的傳播損耗。

   任何事物都有兩面性。傳播距離過小有時候反而成了毫米波系統(tǒng)的優(yōu)勢。比如,它能夠減少毫米波信號之間的干擾。毫米波系統(tǒng)使用的高增益天線同時具有較好的方向性,這也進一步消除了干擾。這樣的窄波束天線既提高了功率,又擴大了覆蓋范圍,同時增強了安全性,降低了信號被截聽的概率。

   另外,“高頻率”這個限制因素會減少天線的尺寸,這又是一個意外的驚喜。假設我們使用的天線尺寸相對無線波長是固定的,比如1/2波長或者1/4波長,那么載波頻率提高意味著天線變得越來越小。比如說,一個900M GSM天線的長度是幾十厘米左右,而毫米波天線可能只有幾毫米。這就是說,在同樣的空間里,我們可以塞入越來越多的高頻段天線。基于這個事實,我們就可以通過增加天線數量來補償高頻路徑損耗,而又不會增加天線陣列的尺寸。這讓在5G毫米波系統(tǒng)中使用massive MIMO技術成為可能。

   克服了這些限制之后,工作于毫米波的5G系統(tǒng)可以提供很多4G無法提供的業(yè)務,比如高清視頻、虛擬現實、增強現實、無線基站回程(backhaul)、短距離雷達探測、密集城區(qū)信息服務、體育場/音樂會/購物中心無線通信服務、工廠自動化控制、遠程醫(yī)療、安全監(jiān)控、智能交通系統(tǒng)、機場安全檢查等等。毫米波段的開發(fā)利用,為5G應用提供了廣闊的空間和無限的想象。

    由于3GPP決定5G NR繼續(xù)使用OFDM技術,因此相比4G而言,5G并沒有顛覆性的技術革新,而毫米波差不多就成了5G最大的“新意”。而5G其它新技術的引入,比如massive MIMO、新的numerology(子載波間隔等)、LDPC/Polar碼等等,都與毫米波密切相關,都是為了讓OFDM技術能更好地擴展到毫米波段。為了適應毫米波的大帶寬特征,5G定義了多個子載波間隔,其中較大的子載波間隔(60KHz和120KHz)就是專門為毫米波設計的。前面提到過的massive MIMO技術也是為毫米波而量身定制。因此,5G 也可以被稱為“擴展到毫米波的增強型4G”或者“擴展到毫米波的增強型LTE”。

   如果有一天毫米波也擁塞了,移動通信系統(tǒng)該如何拓展新疆域呢?如果波長小于1毫米的話,就進入了光的波段范圍(紅外波段的波長范圍是0.76微米~1毫米)。實驗室里已經開發(fā)出了100GHz以上的晶體管。但是這種晶體管到300GHz左右就基本上沒用了。那么該用什么電子元件呢?紅外線工作于150THz~430THz,可見光工作于430THz~750THz,紫外線工作于740GHz以上,激光器件、LED和二極管能夠生成和檢測到這些光。但是這些器件沒法工作于300GHz~100THz的頻率范圍。這個頻率范圍目前似乎成了盲區(qū)。但是,這個現象是暫時的。只要有需求,新科技和新元器件一定會消除這個盲區(qū)。

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