無線?設(shè)備?和?其?處理?的?數(shù)據(jù)?量?每年?都?呈?指數(shù)?遞增?(53% 復(fù)合?年?增長?率?[1])。?隨著?這些?設(shè)備?產(chǎn)生?并?處理?的?數(shù)據(jù)?量?越來越?多，?連接?這些?設(shè)備?的?無線?通信?基礎(chǔ)?設(shè)施?也?必須?持續(xù)?發(fā)展?才能?滿足?需求。?如?圖 1 所?示，?4G 網(wǎng)絡(luò)?頻?譜?效率?的?提高?已經(jīng)?不足?以?提供 3GPP[2] 定義?的?三大?高級 5G 用例?所需?數(shù)據(jù)?速率?的?階梯?函數(shù)?了，?這些?用例?旨?在?提供?無處?不在?的?即時?移動?寬?帶?數(shù)據(jù)。?認識?到?這?一點?后，?研究?人員?開始?尋找?更高?的?頻率?作為?可能?的?解決?方案。?早期?信道?聲?探?工作?帶來?的?積極?成果?使?全球?無線?標(biāo)準?化?組織?把?重點?轉(zhuǎn)移?到?下一代 5G 無線?系統(tǒng)?該?怎樣?整合，?以及?如何?從?新的?頻率?和?更?廣?的?帶?寬?中?受益。

定義?5G?的?關(guān)鍵?績效?指標(biāo)
所有?用例?的?設(shè)計?都?旨?在?使?未來?的?無線?標(biāo)準?能夠?處理?現(xiàn)有?無線?標(biāo)準?不足?以?應(yīng)對?的?新?應(yīng)用，?每?一個?都?需要?一?整套?全新?的?關(guān)鍵?績效?（KPI）。?IMT 2020 用例?定義?的?增強?移動?寬?帶?（eMBB）?預(yù)計?最大?數(shù)據(jù)?速率?可達 10 Gb/?s，?是 4G 的 100 倍?[3]。?根據(jù)?香?農(nóng)?定理?總結(jié)?的?信道?容量?與?帶?寬?（頻?譜）?和?信道?噪聲?的?關(guān)系?[4]，?數(shù)據(jù)?速率?與?可用?頻?譜?息?息?相關(guān)。?鑒于?小?于 6 Ghz 的?頻?譜?已經(jīng)?全部?分配，?所以?超過 6 Ghz 的?頻?譜，?特別?是在?毫米波?范圍?中的?頻?譜?就?成為?應(yīng)對 eMBB 用例?的?絕?佳?選擇。

圖1：3GPP和IMT2020定義的三個高水平的5G用例

毫米波：?三?個?頻率?的?故事
為?服務(wù)?客戶，?全球?的?服務(wù)?運營?商?在?頻?譜?上?花費?了?幾?十億?美元。?頻?譜?高昂?的?拍賣?價格?也?突顯?了?其?市場?價值?以及?這種?珍貴?資源?的?稀?缺?性。?開發(fā)?新的?頻?譜?能夠?讓?服務(wù)?運營?商?容納?更多?用戶，?并?提供?更?高性能?的?移動?寬?帶?數(shù)據(jù)?體驗。?與?小?于 6Ghz 的?頻?譜?相比，?毫米波?更加?豐富，?需要?的?許可?也?更少，?也就是說?全球?的?服務(wù)?運營?商?都能?用?上。?先進?的?硅?制造?工藝?大幅?降低?了?毫米波?設(shè)備?的?價格，?完全?可?用于?消費?電子?產(chǎn)品。?目前?影響?毫米波?應(yīng)用?的?主要?問題?在于?這個?頻?譜?的?很多?方面?都沒?經(jīng)過?研究，?需要?解答?技術(shù)?問題。

?服務(wù)?運營?商?已經(jīng)?開始?研究?毫米波?技術(shù)，?以?評估?適用?于?移動?應(yīng)用?的?最佳?候選?頻率。?國際?電信?聯(lián)盟?（ITU）?和 3GPP 就 5G 標(biāo)準?研究?的 2 個?階段?規(guī)劃?達成?了?共識。?第?一個?階段?研究 40 GHz 以下?的?頻率，?以?滿足?較?為?緊急?的?商業(yè)?需求，?將?于 2018 年 9 月?完成。?第二個?階段?計劃?從 2018 年?開始，?到 2019 年 9 月?完成，?以?解決 IMT 2020 概述?的 KPPI，?該?階段?專注?于?最高 100 Ghz 的?頻率。

?為?使?毫米波?頻率?實現(xiàn)?全球?統(tǒng)一?標(biāo)準?化，?在?最近?的?世界?無線?電?通信?大會 (WRC)?[5] 結(jié)束?后，?ITU 發(fā)布?了?從 24 Ghz 到 86 Ghz 的?全球?可用?頻率?建議?列表：
24.25–?27.5GHz 31.8–?33.4GHz

37–?40.5GHz 40.5–?42.5GHz

45.5–?50.2GHz 50.4–?52.6GHz

66–?76GHz 81–?86GHz

?在 ITU 發(fā)布?建議?后?不久，?美國?聯(lián)邦?通信?委員?會?（FCC）?于 2015 年 10 月 21 日?發(fā)布?了?規(guī)則?制定?建議?通知?（NPRM），?建議?采用 28 GHz、?37 GHz、?39 Ghz 和 64-71 Ghz 頻?段?[6]?靈活?的?新?服務(wù)?規(guī)則。

圖 2：?適合?移動?應(yīng)用?的 FCC 建議?頻?段?

?雖然 ITU、?3GPP 和?其他?標(biāo)準?機構(gòu)?決定?將 2020 年?作為?規(guī)定 5G 標(biāo)準?的?最后?時限，?但?手機?供應(yīng)?商?正?努力?加快?提供 5G 服務(wù)?的?步伐。?美國?的 Verizon 和 AT&T 計劃?在 2017 年?就?推出 5G 的?早期?版本。?韓國?計劃?在 2018 年?奧運?會?推出 5G 試用，?而?日本?希望?在 2020 年?的?東京?奧運?會?上?展示 5G 技術(shù)。?通過?各?群體?在?各種?因素?推動?下?的?不斷?努力，?一些?頻率?已經(jīng)?開始?成為 5G 的?候?選項：?28 GHz、?39 Ghz 和 72 GHz。

?這 3 個?頻?段?脫?穎?而出?是有?原因?的。?首先，?與 60 Ghz 會?因?氧?吸收?[7]?產(chǎn)生?約 20 dB/?km 損耗?不同，?如下?圖?所?示，?這些?頻?段?的?氧?吸收?率?要?低得?多，?更?適用?于?長?距離?通信。?這些?頻率?在?多?通道?環(huán)境?中也?表現(xiàn)?良好，?可?用于?非?視?距?通信。?毫米波?將?高度?定向?天線?與?波束?成形?和?波束?追蹤?相?結(jié)合，?可?提供?極為?安全?可靠?的?鏈?路。?紐約?大學(xué)?理工學(xué)院?的 Ted Rappaport 博士?和?他的?學(xué)生?已經(jīng)?開始?研究 28GHz、?38GHz 和 73Ghz 的?通道?特性?與?潛在?效能。?他們?發(fā)表?了?數(shù)?篇?論文，?探討?這些?頻率?的?傳播?測量?以及?潛在?服務(wù)?中斷?研究。?通過?這些?頻率?的?現(xiàn)有?數(shù)據(jù)?和?研究?加上?全球?可用?頻?譜，?就?能?從?這 3 種?頻率?開始?制作?毫米波?的?原型。

圖?3：?毫米波?頻率?的?大氣?吸收?率?（dB/?km）?[7]

28 GHz
如上?文?所述，?服務(wù)?供應(yīng)?商?渴望?獲得?還?未?分配?的?大量?毫米波?頻?譜，?它們?將?成為 毫米波?頻?譜?將?使用?哪些?頻率?的?關(guān)鍵?影響?因素。?2015 年 2 月，?三星?獨自?進行?了?信道?測量，?發(fā)現(xiàn) 28 Ghz 可?用于?手機?通信。?此次?測量?證明?城市?環(huán)境?確實?存在?路徑?損耗?（非?視?距?（NLoS）?鏈?路?的?路徑?損耗?指數(shù)?為 3.53），?三星?表示?該?數(shù)據(jù)?說明?毫米波?通信?鏈?路?可?支持 200 米?以上?的?距離?[8]。?他們?的?研究?還?包括?相位?陣?列?式?天線，?并?開始?打造?能?使?手機?采用?復(fù)雜?的?相位?陣?列?式?天線?的?特色?設(shè)計。?在?日本，?NTT Docomo 與?諾?基?亞、?三星、?愛?立?信、?華?為?以及?富士通?合作，?成功?進行?了 28 Ghz 及?其他?頻率?的?現(xiàn)場?測試。

?2015 年 9 月，?Verizon 宣布?將?于 2016 年?與?包括?三星?在內(nèi)?的?主要?合作?伙伴?在?美國?進行?現(xiàn)場?測試。?這?比?到 2020 年?實現(xiàn) 5G 標(biāo)準?的?期限?還?提前?了 4 年，?使 Verizon 成為?了 5G 市場?的?先行?者。?2015 年 11 月，?高?通用 128 根?天線?在 28 Ghz 進行?了?實驗，?以?展示?毫米波?技術(shù)?在?密集?城市?環(huán)境?中的?應(yīng)用?以及?怎樣?將?定向?波束?成形?用于?非?視?距?通信。?在 FCC 宣布 28 GHz 頻?譜?可?用于?移動?通信?后，?預(yù)計?美國?將?進行?進一步?的?實驗?和?現(xiàn)場?測試。?Verizon 還?宣布?向 XO communications 租用 28 Ghz 頻?譜，?并?具有?在 2018 年底?買?下?的?購買?選擇?權(quán)。

?但?值得?注意?的是，?28 Ghz 頻?段?并不?在 ITU 全球?可用?頻率?列表?之中，?所以?是否?能?成為 5G 毫米波?應(yīng)用?的?長期?頻率?還?未?確定。?但?該?頻?譜?已?用于?美國、?韓國?和?日本，?而?無論?其?是否?成為?全球?標(biāo)準，?美國?服務(wù)?供應(yīng)?商都?承諾?盡早?進行?現(xiàn)場?測試?以?推動 28 GHz 進入?美國?移動?技術(shù)。?韓國?希望?能?在 2018 年?奧運?會?上?展示 5G 技術(shù)， 因此?也在?標(biāo)準?機構(gòu)?敲定 5G 標(biāo)準?前?推動 28 GHz 進入?消費?產(chǎn)品?領(lǐng)域。?該?頻率?不在?國際?移動?通信?（IMT）?頻?譜?列表?之中?的?事實?并?沒有?被?忽略，?幾?位 FCC 委員?都?表達?了?關(guān)注。?委員 Jessica Rosenworcel 于 2016 年 2 月?在?華盛頓?的?演講?中?說道：

“從?長遠?來看，?我?認為?美國?需要?在?某些?方面?單獨?前?行，?其中?就?包括 28Ghz 頻?段。?很遺憾，?去年?在?日內(nèi)瓦?舉行?的?世界?無線?電?大會?沒有?討論?這?一?頻?段，?也?未?將?其?列入 5G 頻?譜?研究?列表。?但?該?頻?段?可?用于?全球?移動?分配，?所以?我?認為?美國?應(yīng)該?繼續(xù)?探索?這個?前沿?頻?譜。?韓國?和?日本?已經(jīng)?開始?了?對?該?頻?段?的?測試，?所以?我們?不能?在?這個?時候?退縮。?我們?必須?靠?著?自己?前進，?并?在?今年?底?搭建?好 28Ghz 頻?段?的?框架?！?/p>

?委員 Michael O’Rielly 甚至?撰寫?了?一篇?博文?向 FCC 表達?他?對 2015 世界?無線?電?大會?（WRC）?結(jié)果?的?不滿：

“這?讓?我?開始?思考 2015 世界?無線?電?大會?產(chǎn)生?的?實際?效果?以及?在?未來?對 ITU 的?作用?造成?的?影響。?這些?做法?很可能?會?損害 WRC 未來?的?價值，?使 ITU 淪?為?政府?和?現(xiàn)有?頻?譜?用戶?的?工具，?阻礙?頻?譜?效率?和?技術(shù)?進步?[9]”

28 GHz 是否?會?成為?廣泛?采用?的 5G 頻率?還有?待?觀察，?但?它?在?目前?顯然?非常?重要。

73 GHz
在?圍繞 28 Ghz 開展?工作?的?同時，?E-?band 頻率?在?近?幾年?也?引起?了?移動?通信?領(lǐng)域?的?關(guān)注。?根據(jù)?紐約?大學(xué)?對 73 GHz 進行?的?信道?測量，?諾?基?亞?開始?研究?這?一?頻率。?在 2014 年?國家?儀器?公司?的?年?會 NI 周?上，?諾?基?亞?使用?國家?儀器?公司?的?原型?硬件?展示?了?首?個?在 73 Ghz 運行?的?空中?傳輸?應(yīng)用。?該?系統(tǒng)?還?將?隨著?研究?的?進行?持續(xù)?發(fā)展，?并?不斷?公開?展示?新的?技術(shù)?成果。?在 2015 全球?移動?大會?上，?該?原型?系統(tǒng)?憑借?透鏡?天線?和?波束?追蹤?使?數(shù)據(jù)?傳輸?速率?超過?了 2Gbps。?2015 年?的?布?魯?克?林 5G 峰會?展示?了?該?系統(tǒng)?的?多?輸入?輸出?（MIMO）?版本，?運行?速率?高達 10 Gbps。?不到?一年，?全球?移動?大會?又?用?該?原型?展示?了?運行?速率?超過 14 Gbps 的?雙向?空中?鏈?路。

?諾?基?亞?并不?是?唯一?在 MWC 2016 上?展示 73 GHz 技術(shù)?的?企業(yè)，?華?為?和?德國?電信?也?展示?了 73Ghz 的?原型。?該?原型?采用?多?用戶?（MU）?MIMO，?展現(xiàn)?出?高?頻率?效率，?個體?用戶?的?速率?有?可能?超過 20 Gbps。

?已經(jīng)有?針對 73 Ghz 的?研究?啟動?了，?預(yù)計?未來 3 年?還?會?更多。?73 Ghz 不同?于 28 Ghz 和 39 Ghz 的?一項?根本?特征?就是?支持?連續(xù)?帶?寬。?73 Ghz 的?移動?通信?可?采用 2 Ghz 的?連續(xù)?帶?寬，?是?建議?頻率?頻?譜?中?最?寬的。?相比?之下，?28 Ghz 提供 850 MHz 帶?寬，?39 GHz 附近?有 2 個?頻?段?在?美國?分別?提供 1.6 Ghz 和 1.4 Ghz 的?帶?寬。?如?之前?所述，?根據(jù)?香?農(nóng)?定理，?更多?帶?寬?就?等于?更多?的?數(shù)據(jù)?吞吐量，?這?是 73 Ghz 相對?上述?其他?頻率?的?巨大?優(yōu)勢。

38 GHz
雖然?目前 38 Ghz 的?公開?研究?是?最少?的，?但?該?頻率?仍然?有望?進入 5G 標(biāo)準。?ITU 將?其?列為?了?全球?可用?頻率，?紐約?大學(xué)?也?根據(jù)?現(xiàn)有?信道?數(shù)據(jù)?證明?這?是?一個?可用?頻率。?與 28 Ghz 或 73 Ghz 相比，?該?頻率?面臨?的?一大?挑戰(zhàn)?就是?其?目前?的?使用?量?較?多。?FCC 為?潛在?移動?應(yīng)用?提出?了?建議?頻?譜，?以?促進?美國?未來?對?該?頻?段?的?研究。

?Verizon 在?專注?于 2016 年?首次 28 Ghz 現(xiàn)場?測試?的?同時，?還?計劃?著?測試 39 GHz。?XO Communications 不僅?擁有 28 Ghz 的?許可，?還?擁有?大量 39 GHz 的?許可。?該?頻?譜?獲得?了?服務(wù)?供應(yīng)?商?對?如此?巨大?的?投資，?且?位于 IMT 列表，?因此?必將?是 2020 5G 標(biāo)準?的?有力?爭奪?者。

mmWave?原型?驗證
為?促進?毫米波?在 5G 領(lǐng)域?的?應(yīng)用，?研究?人員?必須?開發(fā)?新的?技術(shù)、?算法?和?通信?協(xié)議，?因為?毫米波?信道?的?基本?屬性?與?現(xiàn)有?手機?模式?不同，?因此?未知?事宜?很多。?制作?毫米波?原型?的?重要性?怎么?強調(diào)?都不?為?過，?特別?是在?早期?階段。?制作?毫米波?系統(tǒng)?原型?可?證明?技術(shù)?或?理念?的?可行性，?而?單憑?模擬?無法?做到?這?一點。?使用?毫米波?原型?在?各種?場景?進行?實?時空?中?通信?有助?于?揭示?毫米波?信道?的?秘密，?實現(xiàn)?技術(shù)?運用?和?發(fā)展。

?制作?完整?的?毫米波?通信?原型?面臨?諸?多?挑戰(zhàn)。?假設(shè)?有?一個?能夠?處理?多 GHz 信號?的?基?帶子?系統(tǒng)，?目前?多數(shù) LTE 執(zhí)行?通常?都?使用 10 Mhz （最大 20 MHz ）?信道，?計算?負載?與?帶?寬?成?正比。?也就是說，?計算?能力?必須?增加 100 倍?以上?才能?滿足 5G 的?數(shù)據(jù)?速率?要求。?考慮?到?毫米波?系統(tǒng)?的?物理?層?計算，?FPGA 對?原型?制作?至?關(guān)?重要。

?開發(fā)?能夠?驗證?毫米波?應(yīng)用?原型?的?定制?硬件?非常?困難。?毫米波?頻率?如此?吸引?通信?業(yè)?的?原因?之一?就是?大?容量?的?連續(xù)?帶?寬。?為 5G 應(yīng)用?尋找 1 到 2 Ghz 帶?寬的?現(xiàn)有?硬件?發(fā)射?器?或?接收?器?十分?昂貴，?而有?的?頻率?根本?找不到。?即便?能?找到?這樣?的?硬件，?其?配置?和?處理?原始?數(shù)據(jù)?的?能力?也?有限。?因此，?設(shè)計?定制 FPGA 處理?板?卡?就?成為?一個?有?吸引力?的?選擇。?雖然?為 FPGA 板?設(shè)計?硬件?所需?的?工程?時間?并不?多，?但是?還?要?開發(fā)?與其?通信?的?軟件?接口，?即便?是?最有?經(jīng)驗?的?工程?師?也?需要?在?設(shè)計?流程?花上?一年?甚至?更?久，?而?這?只是?原型?系統(tǒng)?的?一個?組?件。

?除了 FPGA 板，?毫米波?原型?系統(tǒng)?還?需要?最?先進?的?數(shù)?模?和?模數(shù)?轉(zhuǎn)換?器?捕捉 1-2 Ghz 的?帶?寬。?如今?市場?上有?部分 RFIC 包含?能?轉(zhuǎn)換?基?帶?和?毫米波?頻率?的?芯?片，?但?選擇?有限，?而且?多數(shù)?只能?用于 60 Ghz 頻?段。 IF 和 RF 階段?可?代替 RFIC。?一旦?工程?師?有了?基?帶?和 IF 解決?方案，?供應(yīng)?商?就?能?為?毫米波?無線?電?頭?提供?更多?基?帶 RFIC 以外?的?選擇，?但?仍然?十分?有限。?開發(fā)?毫米波?無線?電?頭?需要 RF 和?微波?設(shè)計?的?專業(yè)?知識，?和?開發(fā) FPGA 板?所需?的?技能?完全?不同，?也就是說?整個?團隊?必須?具備?開發(fā)?所有?所需?硬件?的?各種?技能。?必須?將 FPGA 作為?毫米波?基?帶?原型?系統(tǒng)?的?核心?組?件，?而?編寫?能?處理?多 Ghz 信道?的?多 FPGA 系統(tǒng)?會?增加?系統(tǒng)?的?復(fù)雜?度。?為?解決?服務(wù)?供應(yīng)?商?和?通信?研究?人員?面臨?的?系統(tǒng)?復(fù)雜?度?和?軟件?問題，?國家?儀器?公司?提供?了?一系列?可?配置?的?毫米波?原型?硬件?以及?毫米波?物理?層?源?代碼，?其中?包含?毫米波?系統(tǒng)?基?帶?的?基本?層面，?還?將?多 FPGA 的?數(shù)據(jù)?傳輸?和?處理?抽象?化，?從而?簡化?任務(wù)。?這些?工具?都?旨?在?將?新?原型?轉(zhuǎn)變?yōu)?對 5G 技術(shù)?的?發(fā)展?至?關(guān)?重要?的?系統(tǒng)?和?產(chǎn)品。

雖然 5G 未來?的?具體?實現(xiàn)?方式?尚未?明確，?但?可以?肯定?毫米波?必將?成為?其?技術(shù)?之一。?為?滿足?數(shù)據(jù)?吞吐量?的?要求，?必須?采用 24Ghz 以上?的?大?容量?連續(xù)?帶?寬，?而?研究?人員?已?通過?原型?證明?毫米波?技術(shù)?可?提供 14Gbps 以上?的?速率。?尚未?解決?的?最大?問題?就是?移動?通信?要?使用?哪?一個?毫米波?頻率。?ITU 也許?能?幫助?確定 5G 移動?應(yīng)用?的?一個?頻率。?現(xiàn)在?的?手機?僅?需?開發(fā)?并?使用?一套?硅?芯?片?而不是?多?套?芯?片?組?就?能?覆蓋?全球，?手機?制造?商?和?消費?者?都能?從?降低?的?成本?中?受益。?但是，?重新?分配?現(xiàn)有?頻率?成本?高昂。?理想?情況?是?全球?都能?同意?使用?一個?頻帶，?但?最終?可能?無法?實現(xiàn)。?為了?趕時間，?各地?服務(wù)?供應(yīng)?商都?選擇?忽略 ITU 的?建議，?采用?雖然?不能?擴展?到?全球，?但是?最為?方便?的?頻?譜。?他們?還?利用?了?在?現(xiàn)場?測試?和?實驗?中?準確?制作?雙向?通信?鏈?路?原型?的?能力，?這?是 5G 開發(fā)?的?關(guān)鍵?部分。?研究?人員?由此?得以?展示?這?一新?技術(shù)，?以?前所未有?的?速度?推動?標(biāo)準?化?進程。

?盡管?仍然?充滿?未知，?但?可以?肯定?的是，?未來?一定?會?部署?毫米波?技術(shù)，?而且?會?非常?快。?新一代?無線?通信?即將?到來，?全世界?都在?關(guān)注?其?具體?的?實現(xiàn)?方式。

編輯：hfy