隨著移動通信的快速發展，低頻段頻譜資源的發展已經非常成熟，剩餘的低頻段頻譜資源已經不能滿足5G時代10Gbps的峰值速率需求，因此未來的5G系統需要在毫米波頻段尋找可用的頻譜資源。毫米波技術作為5G的關鍵技術之一，已經成為標准組織和產業鏈研究和討論的重點。毫米波技術將為未來5G終端的實現帶來諸多技術挑戰，毫米波終端的測試方案也將不同於目前的終端。我來介紹一下為什麼毫米波在5G時代不可或缺。
1、什麼是毫米波
根據3GPP 38.101協議，5G NR 主要使用兩個頻帶: FR1和 FR2。FR1波段的頻率范圍為450MHz-6GHz，也被稱為亞6GHz 波段，而 FR2波段的頻率范圍為24.25 GHz-52.6 GHz，通常被稱為毫米波。嚴格來說，毫米波只能指 EHF 波段，即頻率范圍為30ghz-300ghz 電磁波。因為30ghz 的電磁波波長為10毫米，300ghz 的電磁波波長為1毫米(根據公式 v = λf，它的傳播速度為光速 c = 3 x 108m/s，所以對於電磁波，波長和頻率之間的關系是 c = λf)。一個24.25 ghz 的電磁波波長為12.37毫米，或者說是毫米或厘米。但事實上，毫米波只是一個傳統的名稱，沒有一個組織有一個明確的定義。因此，有些人認為，20ghz (波長15mm)-300ghz 之間的電磁波可以被認為是毫米波。
2、毫米波頻譜劃分
2015年，ITU-R WP5D發布了IMT的研究報告。6GHz以上，並詳細研究了電波在不同頻段的衰減特性。同年的世界無線電通信大會(WRC-15)上，提出了多個5G候選毫米波頻段，5G毫米波頻譜的最終確定將在WRC-19上完成。經過多年的研究和討論，各國各地區在毫米波頻譜資源劃分方面取得了進展。下面將重點介紹中國、美國和歐洲毫米波頻段劃分的近況。中國:2017年6月，工信部就5 G系統使用24.75-27.5 GHz、37-42.5GHz或其他毫米波頻段向社會廣泛征集意見，將毫米波頻段納入5G試驗范圍，意在推動5G毫米波研究和毫米波產品研發;美國:早在2014年，FCC(美國聯邦通信委員會)就開始了5G毫米波頻段的分配。2016年7月，決定將27.5-28.35 GHz、37-38.6 GHz、38.6-40 GHz作為授權頻譜分配給5 G，還將64-71 GHz作為非授權頻譜分配給5 G .歐洲:2016年11月，RSPG(歐盟委員會無線電頻譜政策小組)發布歐盟5G頻譜戰略，確定24.25-27.5GHz為歐洲5G主導頻段。
3、毫米波的優勢
而在中國很長一段社會曆史文化時期，毫米波段屬於蠻荒之地。為什麼呢?原因就是很簡單，因為他們幾乎都是沒有進行電子控制元件或設備管理能夠通過發送自己或者企業接收毫米波。為什麼學生沒有實現電子技術設備需要發送產品或者接收毫米波?有兩個主要原因。第一個重要原因是，毫米波不實用。雖然毫米波能提供具有更大的帶寬，更高的數據傳輸速率，但是我國以前的移動互聯網應用過程中不需要這麼大的帶寬和這麼高的數據處理速率，毫米波沒有經濟市場環境需求。而且毫米波還有其他一些問題明顯的限制，比如教育傳播損耗太大，覆蓋全國范圍太小等等。第二個原因是，毫米波太貴。生產能建設工作於毫米波頻段的亞微米尺寸的集成設計電路元件一直是一大挑戰。克服各種傳播損耗、提高服務覆蓋全球范圍也意味著大把的金錢方面投入。
4. 毫米波的一些局限性
但是，目前我們還不能隨意使用20GHz到300GHz之間的任何毫米波。為什麼不能隨意使用毫米波頻率?除了大規模經濟效益的考慮，毫米波中有些頻率“地段”特別差。這裏影響“位置”的因素是空氣，所以應該說這些頻率的“天段”特別差。無線電波傳播時，大氣會選擇性地吸收某些頻率(波長)的電磁波，導致這些電磁波的傳播損耗特別嚴重。吸收電磁波的大氣成分主要有兩種:氧氣和水蒸氣。水蒸氣引起的共振會吸收22GHz和183 GHz左右的電磁波，而氧氣的共振吸收會影響60GHz和120 GHz左右的電磁波。所以我們可以看到，無論哪個機構分配毫米波資源，都會避開這四個頻率附近的頻段。例如，對於5G毫米波頻段的使用，3GPP協議的38.101-2表5.2-1為5G NR FR2頻段定義了三個頻率，即n257(26.5GHz~29.5GHz)、n258(24.25GHz~27.5GHz)和n260(37GHz~40GHz)，均采用TDD體制。
除此之外，還可以避免“天段”因素，毫米波的其他限制我們只能面對，並找到克服的辦法。否則，無法使用毫米波。毫米波的一個最關鍵的限制是毫米波的傳播距離實際上是有限的。物理定律告訴我們，如果發射功率不變，波長越短，距離越短。在許多情況下，這一限制將導致極高頻行駛不超過10米。根據理想的自由空間傳播損失公式，傳播損失為 L = 92.4 + 20 log (f) + 20 log (R) ，其中 F 為 GHz 的頻率，r 為公裏的距離，L 為 dB。在70GHz 毫米波傳播10米後，損失達到89.3分貝。在非理想傳輸條件下，傳輸損耗較大。毫米波系統的開發者必須通過增加發射功率、天線增益和接收靈敏度來彌補如此巨大的傳播損耗。
當然，任何事情都有兩面性。what is a distinguishing feature of 5g mmwave 傳播距離短有時成為毫米波系統的優勢。比如可以減少毫米波信號之間的幹擾。毫米波系統使用的高增益天線同時具有良好的方向性，進一步消除了幹擾。這樣的窄波束天線既提高了功率，又增強了安全性，降低了信號被截獲的概率。另外，過去由於天線尺寸的限制，低頻段的大型天線陣列只能在基站側使用。但隨著頻率的提高，單個天線的尺寸在毫米波頻段可以縮短到毫米級，並且有可能在終端側布置更多的天線，所有天線將集成到一個毫米波天線模塊中。雖然毫米波的自由空間路徑損耗較大，空氣衰減、雨水衰減等特性不如低頻段，但在終端側使用大規模天線陣可以獲得更多的分集增益，提高毫米波終端的收發性能，一定程度上彌補了毫米波覆蓋不足的缺點。終端側的大規模天線陣列將是毫米波商業化的關鍵因素之一。
5、中國在毫米波應用上的一些成績
qcm6490中國在5G 毫米波關鍵技術的研究和開發方面也走在世界前列。2018年5月，華為完成了5g 毫米波綜合接入與回程(IAB)技術的現場測試，該技術提高了毫米波頻譜的無線覆蓋率。IAB 技術通過使用“超材料制成的緊湊型焦距透鏡天線”和波束形成技術來聚焦無線電波的遠程方向，這將能夠減少信號幹擾，並允許數據傳輸速率在同一頻帶上同步。現場測試使用了39GHz 頻段，39GHz 頻段無線終端的移動接入是通過日本 Minato Mirai 21的5G 主基站和5G IAB 中繼站完成的。根據 NTT DoCoMo 的說法，實驗結果表明 IAB 可以顯著提高毫米波的覆蓋率和容量，“該測試的吞吐量超過650 Mbps，端到端延遲為1.6毫秒。”這證實，即使在高層建築密集區，以及鋪設光纖存在困難的島嶼或山區，IAB 技術也可以實現高速、低延遲的5G 通信。目前，3GPP 正在考慮將 IAB 技術作為其5G 新無線電(5G NR)標准化進程的一部分。
6、總結
雖然毫米波在5g 中的應用有很多局限性，但是在克服了這些局限性之後，在毫米波中工作的5g 系統可以提供許多4g 所不能提供的服務，例如高畫質影像、虛擬現實、擴增實境、無線回程、短程雷達探測、城市密集信息服務、體育場/音樂會/商場無線通信服務、工廠自動化、遠程醫療、安全監控、智能交通系統、機場安檢等等。毫米波頻段的開發利用為5G 應用提供了廣闊的空間和無限的想象空間。
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