Pre-5G和5G：毫米波频段能如愿工作吗？（一）
任何下一代移动通信技术必须要提供比上一代更好的性能。例如，由于从
3G 到 4G 的过渡，理论峰值数据速率从大约 2 Mbps 跳到 150 Mbps。随后，LTE Advanced Pro 达到了 Gbps
的峰值数据速率，最近已在演示 1.2 Gbps 的数据吞吐量1。在最近由高通和诺基亚联合发起的关于 5G 的调查中2，有86％的参与者声称他们需要或希望在下一代智能手机上实现更快的连接。这次调查得出的结论是数据速率一直是技术演进的推动力。
但是 5G 不仅是追求更高的数据速率。这个下一代标准可以满足的各种应用需求一般可按所谓的“应用三角形”分类，如图 1 所示。追求更高的数据速率和更大的系统容量被归纳为增强型移动宽带（eMBB）。超可靠低延迟通信（URLLC）是另一个主要驱动因素，最初的重点是低延迟。所要求的更低延迟影响整个系统架构 - 核心网和协议栈，包括物理层。为了启动新的服务和垂直市场，如增强/虚拟现实、自动驾驶和“工业 4.0”，需要低延迟。此三角形以大规模机器类通信（mMTC）结束；然而，最初的标准化工作主要集中在 eMBB 和 URLLC 上。所有这些应用有不同的要求，要采用不同方法优先排序它们的关键性能指标。这提出了一个挑战，因为这些不同的要求和优先权必须以“一刀切”的技术同时解决。
图1、IMT-2020定义的5G应用场景。
Pre-5G 与 5G
在标准化组织（如第三代合作伙伴计划（3GPP））内定义一个“一体适用”技术需要花费很长时间。数百家公司和组织都在贡献建议，推荐应对 5G 挑战和要求的方案。要讨论和评估这些提案，最后决定如何实施。在定义解决无线接入网、空中接口和核心网的新技术和新标准之初，制定过程可能相当耗时---一些网络运营商没有时间等待。
通常情况下，一种应用问题得到解决时，同时形成标准，它只针对一种场景。使用非授权频谱的 LTE（LTE-U）是 4G 中的一个例子。目标是轻松使用无授权 5 GHz ISM 频段的较低和较高部分来创建更宽的数据管道。大约 15 个月后，3GPP 延续自己的思路，颁布称为授权辅助访问（LAA）的嵌入式标准方法。5G 也不例外。固定无线接入（FWA）并且将在全球体育赛事---韩国平昌2018 年冬奥会提供“5G 服务”，是 5G 讨论中的两个例子。在这两个例子中，定制的标准是由提出的网络运营商及其行业合作伙伴开发的。这两个标准都是基于LTE标准（由3GPP制定的标准）和它发布的第12版技术规范，来增强去支持更高的频率、更宽的带宽和波束赋形技术。
以固定无线接入为例。这一需求背后的网络运营商是美国服务提供商 Verizon Wireless。今天的服务提供商不仅提供传统的有线通信和无线服务；他们还支持到家庭的高速互联网连接，并通过这些连接扩展到提供内容服务。
图2、低于6 GHz的三种载频的相干时间与速度。
图3、28 GHz 路径损耗与小区分离，使用 ABG信道模型，针对市区宏部署将自由空间传播损耗（FSPL）与视线（LOS）连接和非视线（NLOS）连接相比较。
Verizon 最初实现桥接著名的“最后一英里”到家庭的方法是光纤到户（FTTH）。Verizon在一些市场上将该业务出售给其他服务提供商，如Frontier Communications。3为了强化他的业务模式，Verizon正在开发自己的无线技术，用于连接到家庭的高速互联网。为了形成竞争力并保持未来的发展，Gbps连接是必要的，胜过今天采用LTE-Advanced Pro能实现的。
无线链路能提供多大的数据速率取决于4个因素：
调制、可实现的信噪比（SNR）、可用带宽以及是否使用多输入多输出（MIMO）天线技术。从90年代初到2000年，无线行业对其标准进行了优化从而提高了信噪比，进而提高了数据速率。在世纪之交，随着互联网的成功，这已不再可接受；3G的带宽增加到5 MHz。
从4G开始，引入更宽的带宽 - 高达20 MHz ，同时引入2×2 MIMO。今天，使用高达256-QAM的更高阶调制、8×8 MIMO和捆绑多个不同频段载波的载波聚合（CA），峰值数据速率已达到1.2Gbps。要想进一步提高数据速率，尤其是对于使用固定无线接入的情况，更宽的带宽必不可少。这个带宽，在今天的无线通信“热土”（450 MHz 和6 GHz之间）上不可能实现。更大的带宽仅能在采用厘米波波长和毫米波波长的更高频率上获得。但是没有免费的午餐。频率升高会带来它自己的挑战。
*EIRP = 接收机灵敏度 + 信噪比 – 接收天线增益 + 路径损耗（EIRP：等效全向辐射功率）
*链路余量 = 总发射EIRP – 路径损耗 – 接收信号电平
