5G要用毫米波,需要解決這兩個問題

本月早些時候，工信部、中國IMT-2020（5G）推進組確定了三大運營商的5G商用計劃，按照計劃中國將於2017年展開5G網絡第二階段測試，2018年進行大規模試驗組網，到2019年啟動5G網絡建設，預計最快2020年正式商用。

5G擁有數千兆的傳輸速度，這是5G最大的特點之一，但高傳輸速度並非憑空而來。

在雷鋒網(公眾號：雷鋒網)昨日發布的《5G到來之前，我們先聊聊千兆級LTE是什麼》一文中，我們提到要達到千兆級的傳輸速度，必須有載波聚合、高階調製和高階MIMO三項技術的支持，而5G所需的很多技術也正是由4G演進而來。

4G LTE-A的一個載波是20MHz，5G的一個載波為100MHz；4G目前的極限是實現四載波聚合，5G可以做到八載波聚合。

不過，5G和4G最明顯的區別是，前者不僅支持6GHz以下低頻段，還能延伸到26.5～300GHz的毫米波頻段。這一變化的意義是顯而易見的，4G之前，帶寬資源極其稀缺，增加頻譜利用率幾乎是提高傳輸速度的唯一選擇，而5G利用毫米波則解決了帶寬資源有限的後顧之憂。

毫米波這個頻段，我們再談論的就不是幾十兆赫茲的帶寬，它將會是幾百兆、甚至千兆級的帶寬。

高通產品市場高級總監沈磊如此表示。

但不可否認的是，毫米波有兩個致命短板：氧分子對它的吸收會比低頻譜明顯，所以毫米波頻譜衰減的比較快；另外，該頻段穿透障礙物的能力比較差，無法穿過障礙物。之前業界對毫米波的認知就是更適用於短距傳輸，因此，5G必須克服這一難題。

頻率高利于波束成形：「曲線救國」補償衰減

無線通信中，頻率越高波長越低，天線就可以做成很小的尺寸。舉個例子，現在手機中天線的長度還是幾釐米，它需要有一個完整的立體空間；如果用毫米波，它的波長是毫米級別，因此單一天線也將是毫米級別，這樣可以在手機有限的空間裡同時設計多個天線。

多個天線的優勢就是可以形成一個天線陣列，每個天線會發出自己的振幅和相位。沈磊表示，如果能有效地控制這些天線，讓它發出的每個電磁波的空間互相抵消或者增強，就可以形成一個波束，而不再是全向發射，這種將無線信號（電磁波）按特定方向傳播的技術叫做波束成形(beamforming)。

一兩個天線是無法形成波束的，但如果單個終端有很多天線（如8個、16個、32個天線），就不需要再全向發射。每個天線的電磁波空間可以疊加成很窄的波束，再把所有能量聚集在上面，對想發射的那個方向進行傳輸，這就是波束成形。

形成很窄的波束後，有限的能量都集中在一條線上進行傳輸，因此能量傳輸速率就可以得到明顯提升，補償快速衰減的頻譜特性。例如，軍艦上的雷達早就應用到了微波的波束成形，在這種雷達的天線板上面有數百個天線，能量聚集在一點就可以實現高速遠距離傳輸。

另一方面，波束成形意味著收發兩點之間只是一條線，每個終端之間信號傳輸的波束重合和幹擾的機會很小，整個系統的功耗、複雜程度都可以降下來。

反之，如果A手機的信號是全向發射的，附近的B手機就可以接收到A的信號，B手機必須要把這個信號濾掉。要過濾掉這些信號，天線和基帶的編碼複雜程度都要增加，終端就需要容錯的編碼，如果處理不了，還要重發發射信號，這樣下來編碼等的複雜程度都需要增加。

數據來源：高通5G毫米波研發測試平臺

除此之外，因為終端是有移動性的，這些終端在移動的過程中，基站還要追蹤終端不斷變化的位置，每秒鐘計算終端在什麼地方，波束需要不停地調節，使得兩個互相通訊點之間、終端和基站之間維持穩定的自適應波束（如上圖），沈磊表示，現在的天線技術已經完全可以達到這個效果。

實際上，2G、3G、4G，包括千兆級LTE，所有的天線發射都是全向發射，5G使用毫米波將顛覆這一設計。

波束成形後可反射：彌補穿透力差的劣勢

僅僅解決衰減問題還不足以讓毫米波在複雜的移動通信場景中使用，第二個需要解決的就是穿透力差的短板。

遺憾的是，目前還沒有有效的方法來直接改善毫米波的穿透力，但業界正在測試的是通過反射和折射來幫助毫米波實現非視距的通信。沈磊指出，根據目前的實驗結果來看，波束的反射和折射效果已經超出了業界的預期。例如，當用戶在一個障礙物後面，波束依然可以通過室內的牆、玻璃，在戶外有其他的建築物、樹木，它仍然可以找到一個好的方向、一個好的波束，經過幾次反射折射之後，波束就能把信號傳輸到目標位置。

當然，雖然通過波束成形技術、利用反射和折射，毫米波可以穿越障礙物，可以擁有很好的非視距傳輸效果，但這些場景還只是在實驗階段，要實現商用還有很多技術難點要攻克。高通和Facebook等科技企業是5G毫米波的最大支持者，前者在今年10月發布了業界首款X50 5G數據機，該產品就是針對3GPP標準出現之前運營商的前期部署推出的，如採用28GHz的毫米波的Verizon的5G TF和Korea Telecom；而Facebook則希望通過Aquila無人機和毫米波來將網絡覆蓋至偏遠地區，不久前他們還對外宣稱其毫米波測試實現了13km距離下達到20Gbps的傳輸速率。

不過，還有不少業內人士認為毫米波並不適用於移動通信的應用場景，其更多的是可能作為低頻的一個補充，即毫米波部署在室內環境，而室外通信以低頻為主。至於5G最終會是什麼樣的形態，我們還無法做出準確的預測。

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