芯耀
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話說5G在中國已經(jīng)商用了一年有余，用戶發(fā)展迅猛，越來越多的人都已經(jīng)換上了5G手機(jī)和5G套餐。
既如此，我們不禁要問一句：網(wǎng)速如何呀？
一、5G的愿景實(shí)現(xiàn)了嗎？
據(jù)中國信通院在2020中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，三大運(yùn)營商的5G平均下載速率在500到600Mbps之間，是4G的10倍有余。
看起來還挺不錯(cuò)呀，5G就是牛！
但別忘了，5G的用戶發(fā)展雖然快，但人數(shù)還是遠(yuǎn)小于4G的。一旦越來越多的人跟你搶帶寬的時(shí)候，這平均速度可就要降下來了。
再說了，難道5G就僅僅是快一些的4G嗎？
經(jīng)歷過無限希冀的降生，砥礪前行的萌芽，以及血脈賁張的疾速發(fā)展，5G，你是否還記得自己最初的夢(mèng)想？
在夢(mèng)想中，你的征途是那萬物互聯(lián)的星辰大海。
在你的愿景中，有極致的移動(dòng)寬帶，海量機(jī)器互聯(lián)，以及超高可靠性低時(shí)延通信。敢問，都實(shí)現(xiàn)了多少？
峰值20Gbps的極致速率，實(shí)現(xiàn)了嗎？
時(shí)延小于1ms的行業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了嗎？海量機(jī)器連接的物聯(lián)網(wǎng)，發(fā)展地如何？
其實(shí)大家心里都很清楚，革命尚未成功，同志仍需努力??！
因此，無數(shù)希望的目光，都投向了一片尚待開墾的處女地：毫米波。這片處女地在1G到4G時(shí)代一直是一片蠻荒，豐饒的同時(shí)卻也荊棘叢生，正是5G要征服的目標(biāo)。惟有毫米波，才能引領(lǐng)5G達(dá)成既定的峰值速率，同時(shí)，在降低時(shí)延方面也是無可替代的存在。
二、5G毫米波的優(yōu)點(diǎn)突出
毫米波的頻譜極度豐饒毫米波，一般指頻率在30GHz到300GHz這段范圍內(nèi)的無線電頻譜，跟傳統(tǒng)的無線頻譜相比，頻率要高得多，因此也叫做高頻。
根據(jù)電磁波的 “ 波長=光速÷頻率 ” 這個(gè)公式，該段頻譜的波長在1毫米到10毫米之間，這就是“毫米波”的由來。實(shí)際5G所用的毫米波在24GHz到100GHz之間。
下圖是5G毫米波的候選頻段，可以看出，相比于擁擠的Sub6G頻譜（頻率低于6GHz的頻譜，2G/3G/4G/WiFi都在這一段狹窄的范圍內(nèi)），毫米波的頻譜資源簡直是太豐富了！
毫米波的5.5GHz-47GHz、47.2GHz-48.2GHz這兩段，僅可用于部分國家，其余頻段可在全球使用。相比之下，在Sub6G的兩個(gè)主流頻段，3.5GHz和2.6GHz上共有約1GHz的頻譜能給5G用，但還要被衛(wèi)星，雷達(dá)啥的占上一大塊，剩下的幾個(gè)運(yùn)營商一分，一家能拿到100M就算土豪了。
而毫米波則完全不同，可分的帶寬極大，每個(gè)運(yùn)營商拿上個(gè)800MHz，甚至1GHz的帶寬輕輕松松。頻譜資源多了，就好比路寬了，暢通無阻，網(wǎng)速自然就快了啊！按毫米波800M帶寬計(jì)算，小區(qū)峰值速率就達(dá)到13Gbps了，再加上Sub6G上100M帶寬的7Gbps，總速率就到20Gbps了，5G增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶愿景達(dá)成！
毫米波可支持超低時(shí)延5G采用OFDM技術(shù)，把會(huì)把載波帶寬劃分成一個(gè)個(gè)的子載波，同時(shí)，在時(shí)間上也會(huì)分成一個(gè)個(gè)的時(shí)隙，用子載波和時(shí)隙這兩個(gè)維度一起用來傳數(shù)據(jù)。子載波寬度和時(shí)隙長度成反比，毫米波采用的子載波間隔比Sub6G寬得多，一般為120KHz，因此每個(gè)時(shí)隙的長度就可以很短，為0.125ms，僅為Sub6G（常用30KHz子載波間隔）的四分之一。
5G是以時(shí)隙為單位調(diào)度數(shù)據(jù)的，時(shí)隙長度越短，意味著5G在物理層的時(shí)延越小。這樣一來，毫米波的時(shí)延也就僅為Sub6G的四分之一！
嗯，看起來很厲害的樣子，5G的低時(shí)延需求，也可以解決了！
毫米波更易實(shí)現(xiàn)波束賦形一般情況下，天線單元的尺寸為半個(gè)波長時(shí)，效率最高。因此電磁波的波長越短，所需要的天線單元也就越小。
頻率越高，電磁波的波長越短，所需要的發(fā)射和接收天線單元也就越小毫米波的特點(diǎn)正是波長短??！所以天線的尺寸可以很小，在同樣的面積下可以容納更多的天線。天線一多，密密麻麻地排成一個(gè)方陣，就組成了天線陣列。
通過調(diào)整天線陣列上多個(gè)天線的權(quán)值，就能把信號(hào)的能量集中在起來，就像手電筒一樣對(duì)準(zhǔn)手機(jī)精確覆蓋，這就是波束賦形。
頻率越高，天線數(shù)量越多，賦形效果越好波束賦形能力取決于天線單元的個(gè)數(shù)，個(gè)數(shù)越多，波束越窄，越能波束集中能量對(duì)準(zhǔn)用戶，提升覆蓋規(guī)避干擾，賦形效果也就越好。下圖中的5G毫米波設(shè)備含有256個(gè)天線單元，每64個(gè)為一組，通過波束賦形來生成窄波束，因此該設(shè)備一共能提供4個(gè)波束來進(jìn)行高速服務(wù)。
真實(shí)的5G毫米波設(shè)備目前，主流的毫米波AAU內(nèi)集成的天線單元數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了512，甚至768個(gè)，相信過不了多久，就能塞下1024個(gè)天線了。有了波束賦形的加持，毫米波的一個(gè)個(gè)窄波束可以集中能量，精確對(duì)準(zhǔn)并跟蹤用戶移動(dòng)，帶來更好的用戶體驗(yàn)并降低干擾。
波束賦形在工作 毫米波可支持高精度定位
毫米波有波束賦形的加持，波束窄、方向性好，有極高的空間分辨力，同時(shí)由于時(shí)延小，可以實(shí)現(xiàn)超高精度的定位。R17版本協(xié)議計(jì)劃做到厘米級(jí)別的定位，完全可以碾壓GPS，尤其是在室內(nèi)這種衛(wèi)星信號(hào)不好的地方。
支持毫米波的5G NR增強(qiáng)特性（圖片來自高通）
三、5G毫米波的致命缺點(diǎn)
欲戴皇冠，必承其重。毫米波有這么多的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)只有一個(gè)，但卻是致命的。那就是，覆蓋差??！可謂天命難違，毫米波頻率高，損耗快，繞射，穿透能力差，覆蓋也就差上加差。到底有多差呢？下面幾種典型的傳播損耗，可謂刀刀見血，把毫米波虐地泣不成聲。 路徑損耗：信號(hào)能量在自由空間的擴(kuò)散，信號(hào)必定是越遠(yuǎn)越弱，能量損耗和頻率的平方成反比。舉例來說，也就是頻率增大3倍，損耗就會(huì)增加9倍！
頻率越高，自由空間損耗越大 繞射損耗：電磁波傳播過程中由障礙物引起的附加傳播損耗。頻率越高，繞射能力越差，繞射損耗越高。
頻率越高，繞射損耗越大 穿透損耗：電磁波傳播過程中，穿透建筑，花草樹木等障礙物產(chǎn)生的損耗。頻率越高，穿透能力越差，穿透損耗越高。
頻率越高，穿透損耗越大（穿透樹木）
頻率越高，穿透損耗越大（穿透建筑） 雨衰損耗：電磁波信號(hào)因大氣中的雨、雪、冰的吸收，散射等現(xiàn)象導(dǎo)致信號(hào)減弱的現(xiàn)象。通常頻率越高，衰減越大。
5G毫米波受天氣的影響非常嚴(yán)重信號(hào)在空間中的傳播是上述幾種衰減方式的總和。如果用低頻2.6GHz和高頻28GHz進(jìn)行對(duì)比，在信號(hào)傳播路徑相同的情況下，經(jīng)歷的衰減如下圖所示。
5G毫米波經(jīng)歷的層層損耗毫米波28GHz由于頻率高，每一步經(jīng)歷的衰減都要比2.6GHz多得多：
① 自由空間損耗：多20dB；
② 繞射損耗：多10dB；
③ 樹木穿透損耗：多8dB；
④ 房屋穿透損耗：多14dB；
⑤ 室內(nèi)傳播損耗：多5dB。
把這些值加起來，可以得出：同樣的發(fā)射功率，經(jīng)歷同樣的傳播路徑，最終用戶收到28GHz的信號(hào)是2.6GHz信號(hào)強(qiáng)度的百萬分之一！
毫米波的覆蓋這么差，看來這片看似豐饒的處女地確實(shí)不是那么好開發(fā)。
幾乎可任何東西都可以擋住毫米波信號(hào)，電話亭、一棵樹、玻璃、雨傘、甚至是...空氣，只要基站和手機(jī)之間有遮擋，可能轉(zhuǎn)個(gè)身，網(wǎng)絡(luò)會(huì)立刻回落到4G。
毫米波被樹木遮擋（圖源：LuxCarta）甚至旁邊走來個(gè)人，就可以讓5G毫米波的信號(hào)徹底墜入谷底。
“胖砸，你擋住我的信號(hào)啦！”但是，毫米波大帶寬高速率低時(shí)延的誘惑實(shí)在是太強(qiáng)烈了，簡直是無法抗拒。
因此，有條件要上，沒有條件創(chuàng)造條件也要上！
四、5G毫米波如何應(yīng)用？
毫米波有哪些應(yīng)用場(chǎng)景？尺有所短，寸有所長。要用好毫米波，首先必須要擺正心態(tài)，把它用在對(duì)覆蓋要求不是那么高，但是對(duì)帶寬和時(shí)延的要求極高的場(chǎng)景。毫米波的超大容量，自然最適合用在人頭攢動(dòng)的體育場(chǎng)，火車站，或者密集商務(wù)區(qū)，大型集會(huì)現(xiàn)場(chǎng)這樣的流量爆點(diǎn)了。
另外，作為有線光纖的補(bǔ)充，毫米波的大容量還可以用作固定接入（也叫FWA，固移融合）。
其實(shí)就是將5G信號(hào)通過毫米波傳送給用戶家庭CPE設(shè)備，然后轉(zhuǎn)換為Wi-Fi或有線信號(hào)，讓用戶實(shí)現(xiàn)寬帶上網(wǎng)。
由于我國的光纖基礎(chǔ)設(shè)施比較完善，所以寬帶接入基本以光纖為主。但是國外很多國家并沒有如此豐富的光纖資源，光纖敷設(shè)成本也很高，就會(huì)考慮CPE等無線寬帶接入方式。下來就是5G心心念念的行業(yè)應(yīng)用了。
5G毫米波的大帶寬，低時(shí)延，再和邊緣計(jì)算、人工智能等技術(shù)結(jié)合，可以為像園區(qū)、廠區(qū)、碼頭、港口等覆蓋區(qū)域提供各種定制化的企業(yè)級(jí)服務(wù)。
這就是大家耳熟能詳?shù)闹腔蹐@區(qū)、智慧工廠、智慧醫(yī)院、智慧學(xué)校、智慧碼頭等應(yīng)用。比如，典型的工業(yè)機(jī)器人要求 1 毫秒時(shí)延和 99.9999% 的連接可用率；工業(yè)手持設(shè)備和監(jiān)控?cái)z像頭等則不僅要求能夠支持更高的清晰度和幀率，連接設(shè)備密度非常大。因此在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下，5G毫米波不可或缺。
然后，在毫米波的正確使用場(chǎng)景上，再考慮怎樣盡最大可能去增強(qiáng)覆蓋。
毫米波怎樣增強(qiáng)覆蓋？還記得前面介紹過的波束賦形嗎？
有了波束賦形，相當(dāng)于燈泡變手電筒，發(fā)射能量集中了，自然覆蓋也就遠(yuǎn)了。再加上波束搜索、波束跟蹤以及波束切換等技術(shù)，即使手機(jī)在部分方向的直射信號(hào)的被遮擋了，也能迅速捕捉到反射路徑，形成新波束并動(dòng)態(tài)地切換。
這樣一來，毫米波就跳出了只能視距傳播的桎梏，覆蓋再次增強(qiáng)！你以為這就完了？下面還有更炫酷的。
R16協(xié)議引入的集成接入及回傳（Integrated Access Backhaul，IAB）技術(shù)，可以讓毫米波既做接入，也做回傳，不需要拉光纖，一串基站就能自我級(jí)聯(lián)，覆蓋擴(kuò)展。
圖中的Access就是接入，Backhual就是回傳最后，由于毫米波的波長小，天線也就小，內(nèi)部其他元器件再緊湊設(shè)計(jì)一下，5G毫米波基站的體積可以非常小，非常適用于靈活部署，夾縫生存。
由于方便隱藏，因此多來一些小基站也是非常方便的，這也是增強(qiáng)覆蓋和容量的重要途徑。
五、5G毫米波的現(xiàn)狀和未來
由于毫米波大帶寬低時(shí)延的優(yōu)點(diǎn)實(shí)在太過突出，也有技術(shù)能彌補(bǔ)致命的覆蓋問題，應(yīng)用場(chǎng)景還很廣泛，自然成了5G下一階段的焦點(diǎn)。截止2020年底，全球已有43個(gè)國家的132個(gè)運(yùn)營商都在投資毫米波。美國，日本，韓國等地方是毫米波商用的急先鋒，歐洲的頻譜拍賣也是如火如荼。
來源：GSA 5G毫米波生態(tài)報(bào)告（2020年11月）同時(shí)，也已經(jīng)有近100款終端宣稱支持毫米波，其中46款已經(jīng)商用。毫米波從網(wǎng)絡(luò)到終端的生態(tài)鏈都已趨于成熟。
來源：GSA 5G毫米波生態(tài)報(bào)告（2020年11月）中國也早在2017年就開始了毫米波的技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)。
2020年，工信部明確提出：將結(jié)合國家頻率規(guī)劃進(jìn)度安排，組織開展毫米波設(shè)備和性能測(cè)試，為 5G 毫米波技術(shù)商用做好儲(chǔ)備，適時(shí)發(fā)布部分 5G 毫米波頻段頻率使用規(guī)劃。
因此，近兩年毫米波在中國商用落地也基本是板上釘釘。目前最讓人期待的，莫過于2022年冬奧會(huì)的5G毫米波應(yīng)用了。
冬奧會(huì)作為大型賽事，必然面臨大量的上行流量需求，比如超高清視頻的直播，以及現(xiàn)場(chǎng)大量攝像機(jī)360°視頻實(shí)時(shí)回傳，視頻監(jiān)控與安保等等。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的大量的觀眾，媒體，運(yùn)動(dòng)員及工作人員，也會(huì)在較小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生超高的下行流量以及超密集的連接，用于全息訪談、VR/AR觀賽，及其他個(gè)人數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
毫米波，作為極致5G體驗(yàn)的最佳選擇，必將會(huì)在北京冬奧會(huì)上大放異彩。
而這一切，僅僅只是5G初心的冰山一角。
