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如果從今年開始想換手機(jī)的話，5g是不可避免的問題。 作為被認(rèn)為將改變社會(huì)生活方方面面的新一代無線通信技術(shù)，5g將憑借超高速無線互聯(lián)網(wǎng)的速度、覆蓋范圍和響應(yīng)能力向未來釋放無限的能量。

5g比傳統(tǒng)4g的特點(diǎn)要多很多，但重要的、普通客戶在意的，可能是突破了想象中的傳輸速度。 但是，大家有沒有想過5g的速度為什么能夠?qū)崿F(xiàn)10倍到100倍的提高呢？ 其實(shí)這背后涉及到毫米波這一重要技術(shù)。

其實(shí)，ITHome(IT之家)主編在之前的文案中提到過毫米波的相關(guān)技術(shù)，但沒有深入說明，所以今天，主編近距離認(rèn)知毫米波吧。

一、毫米波到底是什么，為什么這么重要？

如上所述，高傳輸率是5g的重要技術(shù)指標(biāo)。 那么，如何提高傳輸速率呢？

首先，決定這里的傳輸速率，即每單位時(shí)間通過信道的數(shù)據(jù)量。 在通信領(lǐng)域，關(guān)于信道傳輸速度有以下公式。

n=rb/b

在該式中，n是帶寬利用率，rb是信道傳輸速度，b是系統(tǒng)帶寬。 讓我們改變這個(gè)公式:

rb=n b

傳輸速率與帶寬利用率和系統(tǒng)帶寬呈正向關(guān)系，帶寬利用率越高，系統(tǒng)帶寬越高，傳輸速率也越高。 這表明了為了提高信道傳輸速度，有兩種方法提高帶寬利用率和系統(tǒng)帶寬。

ok，這兩種做法確立后，我們先放一放，復(fù)習(xí)一下無線通信的基本概念吧。 這樣，你就會(huì)更深刻地理解這兩種做法。

我們所說的無線通信，就是利用無線電磁波進(jìn)行通信，翻閱中學(xué)的物理教科書，我們可以找到它熟悉的圖:

上圖是電磁波譜，按電磁波的頻率順序排列描繪。 頻率是電磁波的重要性。

中學(xué)物理老師帶著我們研究可見光的部分，但是在無線通信行業(yè)，首要研究的是圖中被綠色框包圍的部分。

已知無線通信的基本原理是將聲音圖像新聞轉(zhuǎn)換為包括聲音圖像新聞在內(nèi)的電信號(hào)，向頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該信號(hào)的高頻振蕩信號(hào)發(fā)送電信號(hào)，并通過發(fā)送天線作為電波傳輸?shù)街車?/p>

▼比如說，無線電磁波的頻帶就像大街，其中高頻的振動(dòng)波(載波)就像交通工具。

▲圖片來源:維基百科

如上所述，頻率是電磁波的重要特征，電磁波因頻率而異，意味著用途不同，因此在電磁波這條大街上再劃分車道，分配到不同的對(duì)象和用途上。 具體劃分多而復(fù)雜，如下表所示。

以往的移動(dòng)通信主要走的是從中頻到超高頻的道路。 按照這條道路劃分各國運(yùn)營商采用的頻帶就是我們所說的頻譜劃分。 例如，在4g lte標(biāo)準(zhǔn)中，我國最重視的是超高頻頻譜資源的一部分。 同時(shí)，從1g到2g、3g再到4g，分割后的電波頻率有越來越高的趨勢(shì)。 這實(shí)際上是為了滿足更高的傳輸速率的需要。

我們剛才談到了這條大街，其中的一個(gè)載體就像交通工具，載體承載著信號(hào)，經(jīng)過編碼、調(diào)制、發(fā)送、媒體傳輸、接收、解碼、解碼的全路徑，我們廣義上說的信道，是 具體傳輸方法以符號(hào)( symbol )的形式傳輸。

是的，這時(shí)，我們會(huì)回到上述的頻帶利用率。 頻帶是什么？ 對(duì)于信道，是允許發(fā)送的信號(hào)的頻率和頻率之間的頻率范圍。 提高帶寬利用率，簡(jiǎn)單來說就是讓信道內(nèi)的單位時(shí)間導(dǎo)入越來越多的碼元，提高速率。

但是，這樣做還不夠。 具體怎么樣呢？ 簡(jiǎn)單地說。 信號(hào)的調(diào)制通過操縱電波的振幅和相位形成載波的不同狀態(tài)。 如果調(diào)制方法從簡(jiǎn)單變?yōu)槎嘀?，則意味著載波的狀態(tài)數(shù)增加，一個(gè)碼元表示的新聞量增加。 如果碼元增加，則一個(gè)碼元表示的新聞的量增加，但如果載波的寬度不變化，則各碼元的狀態(tài)之間的間隔變窄，因此容易受到噪聲的干擾，碼元偏離本來應(yīng)該有的位置，解碼錯(cuò)誤，功耗也增加

▲從簡(jiǎn)單的調(diào)制到很多復(fù)雜的調(diào)制的狀態(tài)圖

雖然聽起來有點(diǎn)多很雜，但是沒關(guān)系。 其實(shí)只要知道帶寬利用率并不是越高越好。 所以，人們自然會(huì)把眼球轉(zhuǎn)向另一種更簡(jiǎn)單粗暴的做法來提高光譜系統(tǒng)的帶寬。

但問題是，現(xiàn)在常用的6ghz以下的頻帶，可用的資源已經(jīng)很少了(到4g時(shí)代非常擁擠)。 5g時(shí)代怎么辦？ 這個(gè)時(shí)候，人們想到了以前不太被關(guān)注的毫米波段。

毫米波位于微波和遠(yuǎn)紅外線波重疊的波長范圍內(nèi)，但實(shí)際上兼具了兩種光譜的優(yōu)越性。

因此，根據(jù)3gpp 38.101協(xié)議的規(guī)定，5g nr主要采用fr1頻帶和fr2頻帶這兩個(gè)頻率。 fr1頻帶的頻率范圍為450mhz 6ghz，也稱為輔助6GHz頻帶； fr2頻帶的頻率范圍為24.25ghz 52.6ghz，即這里所說的毫米波( mmwave )。

返回上表，可知毫米波的波長為1mm-10mm，頻率約為30ghz-300ghz。 當(dāng)然，3gpp規(guī)定從24.25ghz開始，根據(jù)

波長=光速/頻率

由該式可知，波長為12.37，也稱為厘米通道，但實(shí)際上這里的定義并不嚴(yán)格。

毫米波的優(yōu)點(diǎn)是頻率高，但并不是所有頻帶都能在30-300ghz之間自由采用。 由于部分頻帶性能較差，目前很少采用。 在3gpp協(xié)議38.101-2 table 5.2-1中，在5g nr fr2頻帶中定義了3級(jí)頻率，分別如下。

N257 ) 26.5GHz~29.5GHz；

N258 ) 24.25GHz~27.5GHz；

N260(37GHz~40GHz )；

采用tdd方式。 在美國fcc，頻率為24-25 GHz ( 24.25-24.45/24.75-25.25 GHz )，頻率為31.8-33.4GHz )，頻率為42-42.5GHz )，頻率為48GHz ).2.2GHz verizon和at已經(jīng)瞄準(zhǔn)眼球28 ghz和39 ghz的大部分頻譜，芯片巨頭高速公路16年推出的首款5g調(diào)制解調(diào)器干式x50也支持28 ghz頻段的5g運(yùn)行。

以28ghz頻段和60ghz頻段為例。 通信行業(yè)有其原理，無線通信的信號(hào)帶寬約為載波頻率的5%，因此兩者對(duì)應(yīng)的頻譜帶寬分別為1ghz和2ghz。 另一方面，4g-lte頻帶的頻率載波在2ghz左右，頻譜帶寬只有100mhz，毫米波的帶寬相當(dāng)于4g的10倍。 這是有待開發(fā)的藍(lán)海。

這是今后5g信號(hào)傳輸速度大幅提高的理由。

不僅速度高，毫米波還有很多其他好處。 首先，毫米波的波束很窄，即使是同樣的天線尺寸，也比微波窄，因此指向性好，能夠分辨更近的小目標(biāo)，也能夠清楚地注意目標(biāo)的細(xì)節(jié)。

關(guān)于這幾個(gè)，我在這里展開，稍后也說明。

可能有同學(xué)會(huì)，什么是光束？

例如，在黑暗中打開手電筒，光線照射的方向就像光束一樣。 因?yàn)樵诳罩g的傳輸過程中，無線電信號(hào)的質(zhì)量會(huì)衰減，但其能量傳輸仍有方向，這將形成波束。 光向這個(gè)方向的兩側(cè)分散，就像手電筒有照射方向一樣。 在通信行業(yè)中，開始降低固定功率的兩側(cè)所成的角度就是波束的寬度。

波束寬度與天線增益有關(guān)。 天線增益是指天線能夠?qū)⒛芰考性谝欢ǚ较蛏系哪芰?，就像手電筒能夠?qū)襞莸墓饽鄣绞裁闯潭鹊哪芰σ粯印?通常，很清楚天線的增益越大，波束就越窄。

天線的增益和什么有關(guān)？ 答案是波長。 天線增益有以下公式。

g表示天線增益，ae表示天線比較有效的孔徑比。 由該式可知，波長越短，天線增益越大，波束越窄。 毫米波的波長短，帶來窄波的特征。

這里就天線進(jìn)行說明。 順便說一下，根據(jù)通信原理，天線的長度與波長成正比，比率約為1/10~1/4。 毫米波的波長為毫米級(jí)，對(duì)應(yīng)的天線也會(huì)變短。 因此，通過在手機(jī)中采用毫米波技術(shù)，天線尺寸也可以更小。

當(dāng)然，具體來說它們的關(guān)系還多且雜，編輯只是大致梳理了一下關(guān)系，不方便繼續(xù)深入展開。

毫米波還具有傳輸質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。 由于其頻率非常高，毫米波通信幾乎沒有干擾源，電磁頻譜極其干凈，信道非常穩(wěn)定可靠。

另外毫米波的安全性也很高。 由于毫米波受大氣中傳播的氧氣、水氣、降雨的影響吸收衰減較大，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直通距離較短，超過距離后信號(hào)變得微弱，竊聽和干擾的難度增大。 剛才說毫米波束窄，副瓣低，這也很難被攔截。

毫米波能夠大幅提高無線通信的傳輸速度，它已經(jīng)足夠吸引人，同時(shí)也有這些附帶的特點(diǎn)，但為什么這么多年沒有在手機(jī)通信行業(yè)商用？ 這是因?yàn)楹撩撞ㄒ灿刑烊蝗毕荨?有所謂硬幣的兩面，同樣的特征、特征、不足，這些不足多年來一直渴望毫米波的商用化。

毫米波最大的不足是傳輸性能差。 這體現(xiàn)在三個(gè)方面。

第一，這些光譜不能到達(dá)太遠(yuǎn)的地方。 例如，在全方向發(fā)射的情況下，這些光譜的能量發(fā)散比較快，容易衰弱，無法到達(dá)很遠(yuǎn)的地方。

二是衍射能力低，容易被大樓、人體等遮擋、反射、折射。 這個(gè)很容易理解。 如果考慮極端的例子，可見光的波長比毫米波短，頻率高，則可見光很少穿過大部分物體。

第三，毫米波還受限于許多空之間的因素，其中第一個(gè)因素是水分子對(duì)這些光譜的吸收度很高。 例如，這些光譜在下雨時(shí)、經(jīng)過樹葉時(shí)、經(jīng)過人體時(shí)，衰弱得非?？?。

另一個(gè)原因是，以往很難生產(chǎn)能夠應(yīng)對(duì)毫米波段的亞微米尺寸的集成電路元件，需要比較大的金錢投資，阻礙了商用化。

二、毫米波不好用，但也有控制的方法

由于毫米波具有上述缺點(diǎn)，因此在過去很長一段時(shí)間內(nèi)難以商用。 但是，隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，目前領(lǐng)域有控制毫米波的比較成熟的做法。 這里主要有波束成形技術(shù)、大規(guī)模MIMO(massiveMIMO )技術(shù)等。

本節(jié)介紹克服毫米波缺點(diǎn)，并將其應(yīng)用于高成本場(chǎng)景的技術(shù)。

首先是大規(guī)模的天線技術(shù)。 之前說明毫米波的波束寬度時(shí)，說的是毫米波的波長窄，但實(shí)際上毫米波的波長短會(huì)影響天線增益，也間接影響接收功率。

上述公式是空間自由傳輸模型(理想傳輸模型)的接收天線功率計(jì)算公式。 結(jié)合上述天線增益計(jì)算式，可知在發(fā)送側(cè)的發(fā)送功率和天線增益一定的情況下，接收側(cè)的接收功率與天線的相對(duì)有效數(shù)值孔徑成比例，與發(fā)送天線和接收天線之間的距離的平方成反比。

因此，波長對(duì)天線孔徑尺寸的影響也間接影響功率。 與以往運(yùn)用的厘米波或更高的波長頻帶相比，毫米波的波長短、信號(hào)衰減大、接收天線接收的信號(hào)功率減小。 接收端的功率減少，顯然不行。

在這種情況下，我們不能隨便增加電力。 由于國家對(duì)天線的功率有限制，因此即使減少發(fā)射天線和接收天線之間的距離也不會(huì)顯示。 本來，人拿起手機(jī)就是處于不斷移動(dòng)的狀態(tài)。 因此，正在考慮增加發(fā)送天線和接收天線的數(shù)量的應(yīng)對(duì)方法。

大規(guī)模的mimo技術(shù)就是基于這種想法而誕生的，也有多進(jìn)多出( multiple-input multiple-output )、多個(gè)天線發(fā)送、多個(gè)天線接收的名字。

其實(shí)多輸入多輸出mimo技術(shù)不是新技術(shù)，以前流傳下來的tdd互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)雙天線、四天線甚至八天線的多輸入多輸出，但是在5g的大規(guī)模mimo理念下，理論上天線數(shù)量可以是成百上千個(gè)，價(jià)格等等。

在大規(guī)模的mimo技術(shù)中，第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是即使在單個(gè)天線的功率較低的情況下也仍然能夠得到良好的信號(hào)質(zhì)量。 有很多天線，為了發(fā)揮力量，可以通過波束成形技術(shù)(后述)的支持將增益疊加在信號(hào)上，來滿足系統(tǒng)的功率需求，也不需要采用寬動(dòng)態(tài)范圍功率放大器帶來的硬件價(jià)格。

另一個(gè)重要特征是增加通信容量。 大型mimo具備波束空之間的復(fù)用的特征，完全利用空之間的傳輸中的多徑分量，通過使用多個(gè)數(shù)據(jù)信道[MIMO子信道]在同一頻帶發(fā)送信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)天線

在大規(guī)模mimo系統(tǒng)中，基站的天線數(shù)量變多，形成陣列，除了水平方向以外，在垂直方向上也可以進(jìn)行行波束形成和波束引導(dǎo)，空間的復(fù)蓋提高，且利用波束成形技術(shù)傳輸?shù)男盘?hào)被發(fā)送到/ [

在大規(guī)模mimo技術(shù)中，反復(fù)提到了波束成形這一技術(shù)，可以說該技術(shù)是大規(guī)模mimo的基礎(chǔ)技術(shù)。 如上所述，毫米波的波束很窄，而且在全方向發(fā)射的情況下，會(huì)發(fā)生達(dá)到數(shù)十db的信號(hào)衰減損失，傳輸距離有限。

波束成形技術(shù)的第一想法是，用一只手收集離散的波束，不擴(kuò)散不浪費(fèi)，形成定向發(fā)射。 具體地說，通過調(diào)節(jié)各個(gè)天線的相位來有效地疊加信號(hào)，產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)增益，從而克服損失，將發(fā)送能量集中到客戶的位置上。

這樣，如果有波束成形技術(shù)，指向哪里不是很美嗎？

不，其實(shí)這也有缺點(diǎn)。 那不像向所有方向發(fā)射，如果波束的方向偏離客戶，客戶反而無法接收到優(yōu)質(zhì)的無線信號(hào)。 面對(duì)這樣的問題，不僅需要大規(guī)模的mimo，還需要與波束管理技術(shù)配合應(yīng)對(duì)。

波束管理技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法多而復(fù)雜，但簡(jiǎn)單來說，就是在大規(guī)模mimo的眾多波束中，通過高速找到基站與目標(biāo)組之間的發(fā)送波束和接收波束，從而大幅提高波束定位的精度。

在此舉一個(gè)例子，高通去年發(fā)售的qtm052毫米波天線模塊支持大規(guī)模的mimo和波束成形技術(shù)。 在該模塊中，高通使用多個(gè)天線來形成相控天線陣列，天線之間的信號(hào)受到相互干擾的影響，可以將信號(hào)能量集中在一個(gè)方向上發(fā)射； 它們不采用全向發(fā)射，而是選擇定向發(fā)射，可以將能量傳遞得更遠(yuǎn)，從而提高覆蓋面。

在此基礎(chǔ)上，高通采用波束制導(dǎo)技術(shù)和波束跟蹤技術(shù)，可以更智能地跟蹤傳輸對(duì)象，控制波束的方向。

三、毫米波、應(yīng)用場(chǎng)景比想象中要廣闊

雖然敘述了很多毫米波的特征和將其商用化的技術(shù)，但是實(shí)際上最終的目的是用兩個(gè)文字來使用它。

事實(shí)上，毫米波未來的應(yīng)用場(chǎng)景可能會(huì)超出想象。 首先，毫米波的特征決定了其主要適用于大帶寬、高容量的場(chǎng)景，面向高帶寬的embb場(chǎng)景可以用于人口密度大、互聯(lián)網(wǎng)容量訴求大的熱點(diǎn)區(qū)域。

首先，毫米波適合部署在音樂會(huì)、體育館等大型會(huì)場(chǎng)的人口密集地區(qū)，能夠帶來數(shù)千兆位的速度、低延遲和無限容量的體驗(yàn)。 過去，在萬人體育場(chǎng)觀看公演時(shí)，手機(jī)信號(hào)幾乎為零，不再無法上網(wǎng)，能給觀眾帶來獨(dú)特的個(gè)性化體驗(yàn)。

這里有幾個(gè)需要補(bǔ)充的小編。 因?yàn)楹撩撞ǖ牟ㄩL很小，所以天線也可以變小。 這樣，將來在部署5g毫米波時(shí)，在普通的宏基站上一定會(huì)部署很多微型基站(小基站)，在城市的街頭、室內(nèi)角落都有可能看到。

這樣，毫米波就能更好地在室內(nèi)場(chǎng)景中引入APP，這是其優(yōu)勢(shì)。 可以使用1:1或部分相同的地址，實(shí)現(xiàn)幾乎相同的wifi上行鏈路和下行鏈路覆蓋，滿足利用更大帶寬實(shí)現(xiàn)數(shù)千兆位中指突發(fā)率的訴求。 總之，就是要讓互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)更高質(zhì)量。

此外，毫米波還可用于固定無線寬帶接入服務(wù)，典型的是滿足4k、8k電視這樣的傳輸訴求，滿足郊區(qū)居住區(qū)的視頻訴求。 一個(gè)典型的場(chǎng)景是，在家購買cpe設(shè)備導(dǎo)入無線互聯(lián)網(wǎng)，通過電視網(wǎng)絡(luò)觀看最多8k的超高清視頻。 當(dāng)然，前提是有足夠的流量。

未來，毫米波可以在汽車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)有非常重要的APP，為互聯(lián)網(wǎng)汽車通信提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和精度，提高雷達(dá)工作的分辨率，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的駕駛安全輔助。

毫米波也有一個(gè)重要的應(yīng)用行業(yè)——軍事。 其實(shí)毫米波在軍事行業(yè)已經(jīng)得到應(yīng)用，其豐富的頻率資源不僅是寬帶通信的重要手段，還提供了另一種抗干擾、抗截獲的比較有效的方法。 但這幾個(gè)離我們普通客戶很遠(yuǎn)。

四、毫米波，已經(jīng)在路上

說了這么多，不是越來越期待毫米波在未來的應(yīng)用嗎？ 還是對(duì)未來5g的時(shí)代越來越期待？

其實(shí)沒有必要著急。 從今年開始，最初的5g智能手機(jī)將陸續(xù)發(fā)售。 例如在安卓陣營，他們大部分使用高通量855+高通量x50 5g調(diào)制解調(diào)器的方案。 如上所述，高吞吐量x50是支持28ghz毫米波段中的數(shù)據(jù)連接的5g調(diào)制解調(diào)器芯片組。 也就是說，在毫米波的應(yīng)用中，高通量已經(jīng)給出了成熟的可商用的處理方案。 當(dāng)然，在今年的mwc2019年間，高通還推出了包括新一代毫米波天線模塊qtm525在內(nèi)的、支持更薄、更高效的5g多模移動(dòng)終端的第二代5g射頻前端處理方案。

隨著5g商用部署流程的不斷推進(jìn)，5g終端的未來推出，毫米波將穩(wěn)步服務(wù)于我們?nèi)粘Ｔ诰W(wǎng)絡(luò)上的訴求，進(jìn)而，毫米波的超高性能將產(chǎn)生新鮮的終端設(shè)備，給我們以往的生活?yuàn)蕵泛凸ぷ鞣椒◣矸旄驳氐淖兓?它在骨干連接技術(shù)提供商、運(yùn)營商和終端制造商的協(xié)助下，一步步走過來。