5G落地進入爆發(fā)期，是時候讓毫米波登場了

時間：2021-11-05 14:47:00

關鍵字：毫米波

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[導讀]2021年，全球5G網絡建設和發(fā)展取得了不俗的成績。根據(jù)GSA于8月發(fā)布的數(shù)據(jù)，已有70多個國家及地區(qū)的超過175家運營商，推出了5G商用服務。還有285家運營商，正在投資部署5G。中國的5G建設步伐，更是走在了世界的前列。國內5G基站數(shù)已經突破百萬，達到驚人的115.9萬個，占...

2021年，全球5G網絡建設和發(fā)展取得了不俗的成績。

根據(jù)GSA于8月發(fā)布的數(shù)據(jù)，已有70多個國家及地區(qū)的超過175家運營商，推出了5G商用服務。還有285家運營商，正在投資部署5G。

中國的5G建設步伐，更是走在了世界的前列。國內5G基站數(shù)已經突破百萬，達到驚人的115.9萬個，占比全球70%以上。也就是說，全球每3個5G基站，就有2個位于中國。

5G基站

5G網絡基礎設施的不斷完善，加速了5G在消費互聯(lián)網及產業(yè)互聯(lián)網的落地。尤其是垂直行業(yè)方面，目前國內已經擁有超過1萬個5G應用案例，覆蓋了工業(yè)制造、能源電力、港口礦山、物流運輸?shù)缺姸囝I域。

毫無疑問，5G已經成為國內企業(yè)數(shù)字化轉型的利器，也是整個社會數(shù)字經濟高質量發(fā)展的引擎。

然而，就在5G應用加速落地的同時，我們會發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的5G技術，在一些特殊的行業(yè)應用場景中，已經開始表現(xiàn)出“力不從心”的狀態(tài)。速率、容量、時延以及可靠性方面，并不能100%滿足場景的需求。

這是為什么呢？難道被人們寄予厚望的5G，還是難當大任？

當然不是。之所以會出現(xiàn)5G“力不從心”的情況，主要原因在于——我們現(xiàn)在只用了“半個5G”。

相信很多人都知道，5G雖然標準是唯一的，但頻段卻有兩種。一種叫Sub-6 GHz頻段，頻率范圍是6GHz以下（準確來說，是7.125GHz以下）。另一種叫毫米波頻段，頻率范圍是24GHz以上。

2個頻段的范圍對比

我們國內目前只商用了Sub-6 GHz頻段的5G，沒有商用毫米波頻段的5G。所以，5G的全部能量，并沒有得到徹底釋放。

█ 毫米波的技術優(yōu)勢

Sub-6 GHz頻段的5G，和毫米波頻段的5G，雖然都是5G，但性能特點差異巨大。

根據(jù)中學物理課本上的知識，無線電磁波，頻率越高，波長越短，繞射能力越差。而且，頻率越高，穿透損耗越大。所以，毫米波頻段的5G，覆蓋能力明顯弱于前者。這是國內沒有第一時間商用毫米波的主要原因，也是人們質疑毫米波的理由。

其實，這個問題的深層次邏輯和事實真相，和大家的想象并不太一樣?；蛘哒f，我們對毫米波，其實存在一些錯誤的偏見。

首先，從技術的角度來說，我們必須擁有一個共識，那就是——在現(xiàn)有通信基礎理論沒有革命性變化的前提下，想要進一步顯著提升網絡的速率帶寬，只能在頻譜上做文章。

向更高的頻段尋求更豐富的頻譜資源，是移動通信技術發(fā)展的必然選擇?，F(xiàn)在的毫米波是如此，將來6G可能采用的太赫茲，也是如此。

毫米波頻譜示意圖

目前，Sub-6 GHz頻段最大100MHz的頻寬（國外有的地方甚至只有10MHz或20MHz），想要實現(xiàn)5Gbps乃至10Gbps的速率，難度實在太大。

而5G毫米波，頻帶達到200MHz-800MHz，實現(xiàn)上述目標就變得容易很多。

不久前，2021年8月，高通攜手中興通訊，實現(xiàn)國內首次采用5G SA雙連接（NR-DC），基于26GHz毫米波頻段的200MHz載波信道以及3.5GHz頻段的100MHz帶寬，合力實現(xiàn)超過2.43Gbps的單用戶下行峰值速率。

兩家公司還基于26GHz毫米波頻段的四個200MHz載波信道，利用載波聚合技術，實現(xiàn)了超過5Gbps的單用戶下行峰值速率。

今年6月，在MWC巴塞羅那展上，高通利用驍龍X65，基于n261毫米波頻段的8路聚合（單載波帶寬為100MHz）以及n77頻段的100MHz帶寬，實現(xiàn)了高達10.5Gbps的峰值速率。這是目前業(yè)界最快的蜂窩通信速率。

單載波帶寬100MHz和200MHz就能達到這樣的效果，未來基于單載波400MHz、800MHz，無疑能夠實現(xiàn)遠超10Gbps的速率！

除了速率的顯著提升之外，毫米波的另外一個優(yōu)勢，就是更低的時延。

因為子載波間隔方面的原因，5G毫米波的時延可以做到Sub-6GHz的四分之一。根據(jù)測試驗證，5G毫米波的空口時延可以做到1ms，往返時延可以做到4ms，表現(xiàn)極為出色。

毫米波的第三個優(yōu)勢，就是體積小巧。

毫米波的波長很短，所以，它的天線非常短。這樣一來，毫米波設備的體積就可以進一步縮小，擁有更高的集成度。廠商設計產品的難度有所降低，有利于促進基站和終端的更加小型化。

毫米波天線（黃色顆粒為天線振子）

更加密集的大規(guī)模天線陣列，更多的天線振子，對波束賦形的運用也極為有利。毫米波天線的波束可以打得更遠，抗干擾能力更強，有利于彌補覆蓋劣勢。

振子越多，波束越窄，距離越長

毫米波的第四個優(yōu)勢，就是高精度的定位能力。

無線系統(tǒng)的定位能力，和它的波長有密切的關系。波長越短，定位精度越高。

毫米波的定位，可以精確到厘米級甚至更低。這也是為什么現(xiàn)在很多汽車都在采用毫米波雷達的原因。

說完了毫米波的優(yōu)點，我們再回過頭來，說說毫米波的缺點。

任何（通信）技術都有自己的優(yōu)點和缺點。毫米波的缺點，大家應該都很清楚，就是穿透能力弱，覆蓋距離短。

前文中，我們提到，毫米波可以通過波束賦形增強的方式，增強覆蓋距離。也就是說，將大量天線的能量都集中到某個方向，從而使信號向特定的方向增強。

現(xiàn)在的毫米波，都采用了高增益定向陣列天線，通過多波束技術，應對移動性挑戰(zhàn)。根據(jù)實踐結果，支持窄波束的模擬波束賦形，可以有效克服24GHz以上頻段的顯著路徑損耗。

高增益定向天線陣列

除了波束賦形之外，毫米波的多波束，還可以更好地實現(xiàn)波束切換、波束導向和波束追蹤。

波束切換，是指終端在持續(xù)變化的環(huán)境中，可以選擇更適合的候選波束，進行合理切換，達到更好的信號效果。

波束導向，則是指終端可以改變上行波束方向，以匹配來自gNodeB的入射波束方向。

而波束追蹤，是指終端可以區(qū)分來自gNodeB的不同波束。波束可以隨著終端的移動而移動，從而實現(xiàn)很強的天線增益。

毫米波增強的波束管理能力，可以有效改善信號的可靠性，實現(xiàn)更強的信號增益。

毫米波還可以采用路徑分集的方式，通過垂直分集和水平分集，應對阻擋問題。

路徑分集的仿真效果演示

在終端側，通過終端天線分集，也可以提升信號的可靠性，緩解手部阻擋問題，并降低用戶隨機方位造成的影響。

終端分集的仿真效果演示

綜上所述，隨著毫米波反射技術和路徑分集的深入研究，通過更先進的多波束技術，已經極大地改善了毫米波的覆蓋問題，實現(xiàn)了非視距（NLOS）傳輸。毫米波在技術方面，已經解決了此前的瓶頸，變得越來越成熟，完全可以滿足商用需求。

在產業(yè)鏈方面，5G毫米波也遠比大家想象中更成熟。

上個月，中國聯(lián)通研究院無線技術研究中心總監(jiān)李福昌就明確表示：“目前，毫米波產業(yè)鏈能力已趨于成熟?！?/span>

在年初的MWC上海展上，國內運營商也表示：“在頻譜、標準和產業(yè)的支持下，毫米波已經取得積極的商業(yè)化進展，到2022年，5G毫米波將具備規(guī)?；纳逃媚芰Α！?/span>

█ 毫米波的應用場景

說完了毫米波的技術優(yōu)勢，我們再來看看它的具體應用場景。

眾所周知，對技術進行運用，最重要的就是“揚長避短”。也就是說，一個技術，要用在最能發(fā)揮它優(yōu)勢的場景下。

5G毫米波的優(yōu)勢是速率、容量、時延。所以，它最適合的地方，就是機場、車站、劇院、體育館等人員密集場所，以及工業(yè)制造、遠程控制、車聯(lián)網等對時延非常敏感的垂直行業(yè)場景。

從具體的應用領域來說，虛擬現(xiàn)實、高速接入、工業(yè)自動化、醫(yī)療健康、智能交通等，都是5G毫米波的用武之地。

我們先來看看消費互聯(lián)網場景。

對于普通個人用戶來說，最大的帶寬需求來自視頻，最大的時延需求來自于游戲。對帶寬和時延有雙重需求的，就是VR/AR技術（虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實）。

VR/AR技術現(xiàn)在發(fā)展迅速，包括最近非?；鸬脑钪?，也和它們有著密不可分的關系。

想要獲得完美的沉浸式體驗，徹底消除眩暈感，VR的視頻分辨率必須在8K以上（甚至16K、32K），時延必須在7ms以內。毫無疑問，5G毫米波是最適合的無線傳輸技術。

高通和愛立信基于5G毫米波，進行了XR測試，為每位用戶帶來了每秒90幀、2K×2K分辨率的XR體驗，并實現(xiàn)低于20ms的時延，下行鏈路平均吞吐量超過50Mbps。

測試結果表明，僅部署1個系統(tǒng)帶寬為100MHz的gNodeB，就可以同時支持6個XR用戶的5G接入。在未來5G特性的支持下，更有望支持超過12位用戶同時接入。

XR測試

5G毫米波面向C端消費者用戶的另一個重要應用場景，就是大型體育賽事的直播。

2021年2月，美國橄欖球賽季總決賽“超級碗”在雷蒙德·詹姆斯體育場舉辦。

美國知名運營商Verizon在高通的助力下，利用5G毫米波技術，把該體育場打造成了世界上網速最快的體育場。

比賽期間，5G毫米波網絡承載了超過4.5TB的總流量，部分場景下峰值速率高達3Gbps，約為4G LTE的20倍。

上行速度方面，這屆超級碗是全球首個使用5G毫米波上行鏈路傳輸?shù)闹匾愂?。毫米波的幀結構靈活，可以調整上下行幀配比，實現(xiàn)更高的上行帶寬。

根據(jù)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，即便是高峰時刻，5G毫米波都比4G LTE快50%以上。借助強大的上行能力，球迷可以上傳照片和視頻，分享比賽精彩瞬間。

Verizon還打造了一款應用，支持球迷同時觀看7路串流高清賽事直播，7個攝像頭從不同角度呈現(xiàn)比賽。

2022年，第24屆冬奧會將在北京開幕。屆時，現(xiàn)場既會有觀眾手機帶來的接入和流量需求，也會有媒體轉播帶來的回傳數(shù)據(jù)需求。尤其是多路4K高清視頻信號，全景攝像機視頻信號（用于VR觀賽），對移動通信網絡的上行帶寬提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

針對這些挑戰(zhàn)，中國聯(lián)通就打算使用5G毫米波技術，進行積極應對。

今年5月，中興、中國聯(lián)通和高通做過測試，采用5G毫米波大上行幀結構，可以將實時采集的8K視頻內容實現(xiàn)穩(wěn)定的回傳，并最終在接收端成功接收進行回放。

再來看看垂直行業(yè)應用場景。

5G毫米波在toB方面，應用前景更為廣闊，可以說是如魚得水。

首先，前面說的VR/AR，其實也是可以用于toB行業(yè)的。

例如，工程師可以通過AR，對異地的設備進行遠程巡檢，對異地工程師進行遠程指導，還可以對異地貨物進行遠程驗收。在疫情期間，這些應用可以幫助企業(yè)解決實際問題，大幅削減成本。

再看看視頻回傳應用?，F(xiàn)在很多工廠生產線都安裝了大量的攝像頭，包括一些用于質檢的高清攝像頭。這些攝像頭通過拍攝大量的高清產品圖片，進行缺陷分析。

例如，中國商飛公司就通過這種方式，對產品焊點以及噴涂表面進行金屬裂縫分析。照片拍攝之后，需要上傳到云端或MEC邊緣計算平臺，需要700-800Mbps的上行速度。采用5G毫米波大上行幀結構，可以輕松應對。

還有一個和5G毫米波技術關系密切的場景，那就是AGV無人車。

5G毫米波支持AGV運行

AGV其實就是一個小型化的無人駕駛場景。AGV的定位導航、調度避障，對網絡時延和可靠性要求很高，對精確定位能力的要求也很高。大量AGV的實時地圖更新，也對網絡的帶寬提出了要求。

采用5G毫米波，能夠充分滿足AGV應用場景的上述要求。

2020年1月，愛立信和奧迪在瑞典基斯塔的工廠實驗室，成功地測試了基于5G毫米波的5G uRLLC功能和實際工業(yè)自動化應用。

其中，他們共同構建了一個機器人單元，采用5G毫米波進行連接。

如上圖所示，機器人手臂在制造方向盤的時候，激光幕可以保護著機器人單元的開口側。如果工廠工人伸手進來，基于5G uRLLC的高可靠性，機器人將立即停止工作，避免工人受到傷害。

這種保證可靠性的即時響應，在傳統(tǒng)Wi-Fi或4G中是不可能實現(xiàn)的。

以上所舉的例子，只是5G毫米波的部分應用場景。除了工業(yè)互聯(lián)網領域之外，像智慧醫(yī)療里的遠程手術，車聯(lián)網里的無人駕駛，都是5G毫米波的強項。

作為一個擁有高速率、大容量、低時延、高可靠性、高定位精度等諸多優(yōu)點的先進技術，5G毫米波已經得到了各行各業(yè)的廣泛關注。

█ 結語

21世紀，是屬于數(shù)據(jù)的世紀。

數(shù)據(jù)中所蘊含的巨大商業(yè)價值，已經被世人所認可。如今，幾乎所有的產業(yè)，都在尋找自身與數(shù)據(jù)之間的關系，參與數(shù)據(jù)價值的挖掘。

以5G為代表的連接技術，以及以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的計算技術，都是挖掘數(shù)據(jù)價值不可或缺的重要工具。

充分運用5G，尤其是毫米波頻段的5G，無異于掌握了一把數(shù)字化轉型的“金鑰匙”，不僅能夠實現(xiàn)生產力的革新飛躍，也能夠在未來的激烈競爭中立于不敗之地。

總而言之，5G毫米波的技術和產業(yè)已經全面走向成熟。隨著5G行業(yè)應用逐漸走入深水區(qū)，我們應該加緊推動5G毫米波的國內商用落地，實現(xiàn)Sub-6與毫米波的協(xié)同發(fā)展。

唯有如此，我們才能真正釋放5G全部的潛能，為整個社會注入5G之心！

—— 全文完 ——

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