5G毫米波，距离我们还有多远

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。

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。

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。

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）

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）。

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。

▉ 毫米波的应用场景

我们先来了解一下毫米波的应用场景，看看它到底适合部署在哪些场所。

毫米波的大带宽、低时延、弱覆盖特点，决定了它主要适合三类场景：

第一类，是密集人群超大业务流量区域的热点覆盖。例如车站、机场等交通枢纽，体育场、商场、剧院等人群集中区域。

这些区域终端数量多，流量需求大，借助毫米波的部署，可以形成网络的高通量层，提升网络容量的上限。

特别值得一提的是 VR/AR。这类场景目前对带宽有很高的需求，尤其是多终端场景下，以 8K VR 为例，50 个设备，大约是 5Gbps，是需要毫米波去满足的。

联通冬奥会计划打造大带宽无线场馆，服务于高清全景赛事直播的同时，满足观众、参赛者、工作人员、媒体记者等人员的连接需求，也是毫米波的用武之地。

第二类，是智慧园区、智慧工厂、智慧医院、智慧学校、智慧码头等产业互联网场景。

5G 赋能百行千业，引领各行各业的数字化转型。除了大带宽外，行业场景往往都有低时延、高可靠性的需求，也就是 5G uRLLC 场景需求。

以智能制造为例，机械臂等设备的运行，高精度检测设备的工作，都对时延有很高的要求，借助毫米波的大带宽和低时延，辅以 MEC 边缘计算及 AI 人工智能技术，才能够很好地满足现场需求，做到 5G 落地。

第三类场景，大家可能不太容易想到，那就是固定无线宽带接入（FWA）。

我们国家光纤基础设施比较完善，所以宽带接入基本以光纤为主。但是国外很多国家并没有如此丰富的光纤资源，光纤敷设成本也很高，就会考虑 CPE 等无线宽带接入方式。

其实很简单，就是用毫米波做最后一公里的接入。将 5G 信号通过毫米波传送给用户家庭 CPE 设备，然后转换为 Wi-Fi 或有线信号，让用户实现宽带上网。如下图所示：

固定无线宽带接入

这种方式，对于密集住宅区非常有效，成本远低于光纤。

同样的，国外也有将毫米波用于基站回传，也可以满足特定场景环境的需求。

▉ 毫米波技术的标准化

3GPP 在 5G 第一个版本，也就是 R15 版本中，就针对毫米波工作频段进行了标准化，开展了建模研究，给出了基本的功能版本。

在今年 6 月份冻结的 R16 版本中，3GPP 对毫米波做了一些优化，重点提升毫米波的工作效率，降低通信时延和开销。

R16 还引入了很多支持毫米波的 5G NR 增强特性，例如集成接入及回传（IAB）、增强型波束管理、双连接优化等。

支持毫米波的 5G NR 增强特性（图片来自高通）

以集成接入及回传（Integrated Access Backhaul，IAB）为例。这是一项既有利于增强部署，又有利于节约成本开支的技术。

IAB 架构示意图

简单来说，某基站具有光纤回传资源，它周边的其它基站可以通过毫米波与这个基站建立回传关系，不需要每个基站都配备光纤回传资源，只需要提供一个电力，就可以了。

目前正在进行的 R17 版本，对毫米波进行了增强，适配了更多的场景。同时，R17 也将对频谱进行进一步扩展，支持从 52.6GHz 到 71GHz 的频段以及 60GHz 免许可频段，这将极大拓展毫米波频谱的利用范围。

▉ 毫米波的产业链

目前，全球几个主流设备厂家都推出了自己的毫米波产品，基本上也都支持 800MHz 的带宽。

终端芯片方面，早在 2018 年，第一代毫米波芯片就已经实现商用，当时是支持 n257、n260 和 n261 频段。到了 2019 年，第二代商用毫米波芯片实现了毫米波全频段支持。

3GPP 定义的 FR2 频段（TS 38.104）

这其中，高通发力最早，目前已经推出三代支持毫米波的 5G 解决方案骁龙 X50、X55、X60。海思 Balong5000 基带芯片以及三星 Exynos5123 芯片，均在 2019 年实现了对毫米波的支持。2020 年，联发科 Helio M80 也将加入。

预计 2021 年初，搭载骁龙 X60 的商用旗舰机将推出，届时可支持 NR 高低频双连接和载波聚合，从而具备 5G 高低频协同组网的能力。

终端方面，目前已经有摩托罗拉、LG、三星、一加等手机厂商推出毫米波商用智能手机，包括中兴通讯等厂家已经推出了支持毫米波的 CPE。

根据中兴通讯分享的数据，经粗略估计，现在大概有 60 多种终端支持毫米波。根据 GSA 截至今年 8 月的数据，已宣布的 5G 终端中有 22.3% 支持毫米波频段。

有消息称，苹果也将很快发布支持毫米波的手机。

鉴于毫米波在产业互联网的丰富应用场景，毫米波模组也处于一个快速发展的阶段。国内包括移远通信在内的模组厂家，都推出了毫米波模组，并能够提供相配套的设计服务。

▉ 毫米波的未来

毫米波是 5G 的关键技术，也是特征技术。没有毫米波的 5G，很难称之为完整的 5G。

因此，我们不能沉浸在 Sub-6 频段带来的网络性能有限提升之中，而应该加紧对毫米波技术的研究，攻克难关，推动其早日落地。

根据 GSMA 的预测，在 2035 年之前，毫米波技术将对全球 GDP 做出 6560 亿美元的贡献，占 5G 总贡献的 25%。包括虚拟现实、智能制造、医疗健康、智能交通等多个领域，都将从毫米波技术中获益。

在中国，毫米波将创造的价值也尤为可观。同样是 GSMA 的预测，到 2034 年，在中国使用毫米波频段将带来的经济受益将产生约 1040 亿美元的效应，大约占亚太地区毫米波频段预估贡献值的一半。

现阶段，关于推动毫米波的商业化落地，还有很多工作需要做。

一方面，改善毫米波覆盖能力的技术和方案还有待进一步研究和验证。毫米波频段相对于其它频段来说，还不够成熟，包括移动性管理能力等。毫米波的业务和组网也需要进一步验证。毫米波的设备体系还需要进一步完善。

另一方面，国内毫米波使用的频段急需明确（目前外场测试频段是 24.75-27.5GHz）。频率是通信技术的先导，只有频率明确了，产业链才有清晰的方向指引，也有投入资源的信心。

此外，毫米波的商业落地，还需要产业界更加紧密的合作、政策上更为明确的支持，以及垂直行业更多的业务示范场景。

这些都不是一日之功，需要一年甚至几年的时间来逐步推进。

相信到了 2022 年，毫米波一定能够以更加成熟、更加完整的面貌与我们见面，再次掀起一股 5G 创新的热潮！

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