毫米波要在5G時代大顯身手，三頻段有啥看點

　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(rèn)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(zhǔn)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。
　　1. 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(zhǔn)能夠處理現(xiàn)有無線標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)移動寬帶（eMBB）預(yù)計最大數(shù)據(jù)速率可達(dá) 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。
　　
　　Figure 1： Three high level 5G use cases as defined by 3GPP and IMT 2020
　　2. 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(jìn)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(zhǔn)研究的 2 個階段規(guī)劃達(dá)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(zhǔn)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：
　　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［6］
　　雖然 ITU、3GPP 和其他標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)決定將 2020 年作為規(guī)定 5G 標(biāo)準(zhǔn)的最后時限，但手機(jī)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］
　　3. 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(jìn)行了信道測量，發(fā)現(xiàn) 28 Ghz 可用于手機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)行現(xiàn)場測試。這比到 2020 年實現(xiàn) 5G 標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行進(jìn)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(zhǔn)，美國服務(wù)供應(yīng)商都承諾盡早進(jìn)行現(xiàn)場測試以推動 28 GHz 進(jìn)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(zhǔn)機(jī)構(gòu)敲定 5G 標(biāo)準(zhǔn)前推動 28 GHz 進(jìn)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(dá)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(yuǎn)來看，我認(rèn)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(rèn)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(jìn)，并在今年底搭建好 28Ghz 頻段的框架。”