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毫米波,距离我们还有多远? (一)

2020.10.12

根据预测,到今年年底,国内5G基站的数量将可能达到70万个。

 

就在5G建设如火如荼的同时,随着R16版本的冻结,人们逐渐将关注目光放在5G下一阶段关键技术上。这其中,就包括号称5G杀手锏的毫米波技术。

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我们知道,3GPP定义的5G无线电频段范围有2个,分别为FR1频段和FR2频段。

 

早期的时候,FR1频段的频率范围是450MHz-6GHz,又叫 Sub-6 GHz频段。

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后来,FR1被3GPP改为410-7125MHz

但Sub-6的称呼习惯被保留下来

 

而FR2频段的频率范围,是24.25GHz-52.6GHz。

 

因为FR2频段中,多数频率的波长小于10毫米,所以FR2也被称为“毫米波(mmWave)”频段。

 

2019年,国际电联世界无线电通信大会 (WRC-19) 期间,各国代表经过激烈讨论,确认了5G毫米波的法定频谱范围:

 

全球范围内,将24.25GHz-27.5GHz、37GHz-43.5GHz、66GHz-71GHz频段,标识用于5G及国际移动通信系统(IMT)未来发展。45.5GHz-47GHz、47.2GHz-48.2GHz频段,可以在部分国家地区用于5G及IMT。

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ITU批准的毫米波频段

 

频谱资源的确定,极大地鼓舞了产业界对毫米波的信心,刺激了毫米波技术的发展。

 

▉ 毫米波的发展现状

 

目前,全球已有超过120家运营商正在投资毫米波。

 

根据2020年8月份的最新数据,目前全球范围内已经有22家运营商部署了毫米波5G系统。其中,进展最快的,是包括美国在内的北美地区。

 

众所周知,美国因为Sub-6频段资源极其紧缺(大量被军方占用),所以将毫米波频段作为5G先行部署的主要频段。具体来说,是28GHz和24GHz频段(26GHz也在考虑中,37/39/47GHz频段拍卖已完成)。之后,美国也进行了Sub-6GHz频谱拍卖。

 

紧随其后的是日本和韩国。他们将毫米波用于重点区域的覆盖,所使用的频段也是28GHz为主。

 

再往后是欧洲和澳洲。

 

意大利已经进行了毫米波频谱资源的拍卖,德国和英国正在计划之中。他们的使用频段,主要集中在26GHz频段(24.25-27.5GHz)。

 

澳大利亚的话,主要是在26GHz、40GHz和32GHz,频谱拍卖的计划已经正式宣布。

 

相比之下,我们中国的毫米波商用计划相对并不是很急迫,目前还处于研究和测试阶段,频段资源也没有进行正式分配。

 

主要原因,正如前面所说,是因为我们的Sub-6频段资源相对较为充裕(我们是少数可以在Sub-6频段连续分配100MHz频率资源的国家),所以对毫米波的需求并不像美国那么迫切。

 

当然了,不急并不代表不上。

 

目前国内关于毫米波的测试早已启动,正在紧锣密鼓地进行之中。据中国移动专家介绍,外场测试的结果跟理论分析数值比较吻合,有效提升了行业对毫米波的信心。

 

中国毫米波测试进展(图片来自中国移动)

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政策方面,工信部之前就有明确发文,要求:“适时发布部分5G毫米波频段频率使用规划”,“组织开展毫米波设备和性能测试,为5G毫米波技术商用做好储备”。(《工业和信息化部关于推动5G加快发展的通知》,2020-3-24)

 

三大运营商也都有各自的毫米波商用计划时间表。例如中国移动的专家就透露,将在2022年具备毫米波的规模商用能力。中国联通则表示,将在2021年6月完成冬奥场馆设备部署和毫米波应用产品体验部署,在2022年北京冬奥会进行毫米波技术的展示和应用。

 

▉ 毫米波的优缺点

 

如果说美国使用毫米波是被逼无奈,那么为什么我们也一定要去折腾毫米波呢?

 

说白了,还是和毫米波的特点有关。

 

毫米波最大的特点,就是频段资源丰富。相比于Sub-6频段分配资源时只能5MHz、10MHz、20MHz这样挤牙膏(能有100MHz要感动到哭),毫米波可以轻松分配100MHz以上的带宽资源,甚至达到400MHz或800MHz。

 

基于如此充沛的频率带宽资源,毫米波5G的无线传输速度可以轻松超过Sub-6数倍。

 

之前我们看到过国内很多人对5G进行测速,基本上就是1Gbps左右。毫米波的话,根据前文提到的中国移动外场测试结果,小区峰值速率达到了14.7Gbps(基于800MHz频谱带宽)。

 

香不香?

 

除了高速率之外,毫米波的大带宽还能带来更低的空口时延,有利于高可靠、低时延业务的部署。

 

毫米波频率高、波长短,因此,天线的尺寸更小(天线尺寸和波长成正比)。相同体积下,可以集成更多的天线,可以形成更窄的波束,拥有非常高的空间分辨率。

 

毫米波还支持厘米级的定位,尤其是室内环境中,非常好用。

 

毫米波有非常明显的优势,也有非常明显的劣势,那就是覆盖能力。

 

毫米波的覆盖能力是出了名的差。工作频段高,绕射能力差。相同条件下,穿透损耗也高,信号极容易受到遮挡阻断。

 

有测试数据显示,混凝土墙体对毫米波的损耗可能高达60~109dB。这就意味着,毫米波几乎不具备穿墙的能力。想要通过室外宏站覆盖室内,几乎不可能。

 

玻璃同样也是毫米波的天敌,会带来明显的损耗。即便是人体或树木,都会对毫米波造成显著影响。

 

所以,如何对毫米波进行合理部署,如何提高毫米波的覆盖能力,是毫米波成功实现商业落地的前提条件。

 

▉ 毫米波的覆盖提升

 

目前来看,提升毫米波覆盖的主要方式和思路包括:

 

一、直接提升发射功率,例如EIRS(等效全向辐射功率),进而提升覆盖范围。

 

二、采用阵列天线(毫米波的必然选择),合理利用波束赋形和波束管理,宽波束适合增加覆盖面积,窄波束适合增加覆盖距离,两者进行平衡。

 

三、引入恒介电常数透镜天线(如龙勃透镜天线),获得更高的天线增益。

 

四、采用反射板等装置,通过增加反射路径,减少覆盖盲区。

 

五、引入碳化硅、氮化镓等新材料技术,增加功率和性能。

 

六、采用高低频混合组网,弥补高频覆盖的弱点,同时发挥高频大流量的优点。

 

七、采用MTRP、IAB等技术,优化链路路由,改善信号覆盖,增强信号鲁棒性(健壮性)。

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MTRP:让手机终端可以同时接收两个基站的信号。当一个发生遮挡,不会影响另外一个信号的传输。

 

随着技术的不断演进,目前毫米波在室外视距(LOS)传播已经可以达到1-2公里,非视距的话,整体覆盖在100-200米之间(基站EIRP>60dBm)。

 

上个月,高通、Casa Systems和爱立信在澳大利亚成功完成了全球首次增程毫米波5G NR数据呼叫,实现了迄今距离最远(3.8公里)的连接,展现毫米波技术的强大远程传输能力。

 

总而言之,在各项技术的加持下,毫米波的覆盖能力正在不断改善,只要部署合理,完全可以商用落地。


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