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如果從今年開始想換手機的話，5g是不可避免的問題。 作為被認(rèn)為將改變社會生活方方面面的新一代無線通信技術(shù)，5g將憑借超高速無線互聯(lián)網(wǎng)的速度、覆蓋范圍和響應(yīng)能力向未來釋放無限的能量。

5g比傳統(tǒng)4g的特點要多很多，但重要的、普通客戶在意的，可能是突破了想象中的傳輸速度。 但是，大家有沒有想過5g的速度為什么能夠?qū)崿F(xiàn)10倍到100倍的提高呢？ 其實這背后涉及到毫米波這一重要技術(shù)。

其實，ITHome(IT之家)主編在之前的文案中提到過毫米波的相關(guān)技術(shù)，但沒有深入說明，所以今天，主編近距離認(rèn)知毫米波吧。

一、毫米波到底是什么，為什么這么重要？

如上所述，高傳輸率是5g的重要技術(shù)指標(biāo)。 那么，如何提高傳輸速率呢？

首先，決定這里的傳輸速率，即每單位時間通過信道的數(shù)據(jù)量。 在通信領(lǐng)域，關(guān)于信道傳輸速度有以下公式。

n=rb/b

在該式中，n是帶寬利用率，rb是信道傳輸速度，b是系統(tǒng)帶寬。 讓我們改變這個公式:

rb=n b

傳輸速率與帶寬利用率和系統(tǒng)帶寬呈正向關(guān)系，帶寬利用率越高，系統(tǒng)帶寬越高，傳輸速率也越高。 這表明了為了提高信道傳輸速度，有兩種方法提高帶寬利用率和系統(tǒng)帶寬。

ok，這兩種做法確立后，我們先放一放，復(fù)習(xí)一下無線通信的基本概念吧。 這樣，你就會更深刻地理解這兩種做法。

我們所說的無線通信，就是利用無線電磁波進(jìn)行通信，翻閱中學(xué)的物理教科書，我們可以找到它熟悉的圖:

上圖是電磁波譜，按電磁波的頻率順序排列描繪。 頻率是電磁波的重要性。

中學(xué)物理老師帶著我們研究可見光的部分，但是在無線通信行業(yè)，首要研究的是圖中被綠色框包圍的部分。

已知無線通信的基本原理是將聲音圖像新聞轉(zhuǎn)換為包括聲音圖像新聞在內(nèi)的電信號，向頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該信號的高頻振蕩信號發(fā)送電信號，并通過發(fā)送天線作為電波傳輸?shù)街車?/p>

▼比如說，無線電磁波的頻帶就像大街，其中高頻的振動波(載波)就像交通工具。

▲圖片來源:維基百科

如上所述，頻率是電磁波的重要特征，電磁波因頻率而異，意味著用途不同，因此在電磁波這條大街上再劃分車道，分配到不同的對象和用途上。 具體劃分多而復(fù)雜，如下表所示。

以往的移動通信主要走的是從中頻到超高頻的道路。 按照這條道路劃分各國運營商采用的頻帶就是我們所說的頻譜劃分。 例如，在4g lte標(biāo)準(zhǔn)中，我國最重視的是超高頻頻譜資源的一部分。 同時，從1g到2g、3g再到4g，分割后的電波頻率有越來越高的趨勢。 這實際上是為了滿足更高的傳輸速率的需要。

我們剛才談到了這條大街，其中的一個載體就像交通工具，載體承載著信號，經(jīng)過編碼、調(diào)制、發(fā)送、媒體傳輸、接收、解碼、解碼的全路徑，我們廣義上說的信道，是 具體傳輸方法以符號( symbol )的形式傳輸。

是的，這時，我們會回到上述的頻帶利用率。 頻帶是什么？ 對于信道，是允許發(fā)送的信號的頻率和頻率之間的頻率范圍。 提高帶寬利用率，簡單來說就是讓信道內(nèi)的單位時間導(dǎo)入越來越多的碼元，提高速率。

但是，這樣做還不夠。 具體怎么樣呢？ 簡單地說。 信號的調(diào)制通過操縱電波的振幅和相位形成載波的不同狀態(tài)。 如果調(diào)制方法從簡單變?yōu)槎嘀?，則意味著載波的狀態(tài)數(shù)增加，一個碼元表示的新聞量增加。 如果碼元增加，則一個碼元表示的新聞的量增加，但如果載波的寬度不變化，則各碼元的狀態(tài)之間的間隔變窄，因此容易受到噪聲的干擾，碼元偏離本來應(yīng)該有的位置，解碼錯誤，功耗也增加

▲從簡單的調(diào)制到很多復(fù)雜的調(diào)制的狀態(tài)圖

雖然聽起來有點多很雜，但是沒關(guān)系。 其實只要知道帶寬利用率并不是越高越好。 所以，人們自然會把眼球轉(zhuǎn)向另一種更簡單粗暴的做法來提高光譜系統(tǒng)的帶寬。

但問題是，現(xiàn)在常用的6ghz以下的頻帶，可用的資源已經(jīng)很少了(到4g時代非常擁擠)。 5g時代怎么辦？ 這個時候，人們想到了以前不太被關(guān)注的毫米波段。

毫米波位于微波和遠(yuǎn)紅外線波重疊的波長范圍內(nèi)，但實際上兼具了兩種光譜的優(yōu)越性。

因此，根據(jù)3gpp 38.101協(xié)議的規(guī)定，5g nr主要采用fr1頻帶和fr2頻帶這兩個頻率。 fr1頻帶的頻率范圍為450mhz 6ghz，也稱為輔助6GHz頻帶； fr2頻帶的頻率范圍為24.25ghz 52.6ghz，即這里所說的毫米波( mmwave )。

返回上表，可知毫米波的波長為1mm-10mm，頻率約為30ghz-300ghz。 當(dāng)然，3gpp規(guī)定從24.25ghz開始，根據(jù)

波長=光速/頻率

由該式可知，波長為12.37，也稱為厘米通道，但實際上這里的定義并不嚴(yán)格。

毫米波的優(yōu)點是頻率高，但并不是所有頻帶都能在30-300ghz之間自由采用。 由于部分頻帶性能較差，目前很少采用。 在3gpp協(xié)議38.101-2 table 5.2-1中，在5g nr fr2頻帶中定義了3級頻率，分別如下。

N257 ) 26.5GHz~29.5GHz；

N258 ) 24.25GHz~27.5GHz；

N260(37GHz~40GHz )；

采用tdd方式。 在美國fcc，頻率為24-25 GHz ( 24.25-24.45/24.75-25.25 GHz )，頻率為31.8-33.4GHz )，頻率為42-42.5GHz )，頻率為48GHz ).2.2GHz verizon和at已經(jīng)瞄準(zhǔn)眼球28 ghz和39 ghz的大部分頻譜，芯片巨頭高速公路16年推出的首款5g調(diào)制解調(diào)器干式x50也支持28 ghz頻段的5g運行。

以28ghz頻段和60ghz頻段為例。 通信行業(yè)有其原理，無線通信的信號帶寬約為載波頻率的5%，因此兩者對應(yīng)的頻譜帶寬分別為1ghz和2ghz。 另一方面，4g-lte頻帶的頻率載波在2ghz左右，頻譜帶寬只有100mhz，毫米波的帶寬相當(dāng)于4g的10倍。 這是有待開發(fā)的藍(lán)海。

這是今后5g信號傳輸速度大幅提高的理由。

不僅速度高，毫米波還有很多其他好處。 首先，毫米波的波束很窄，即使是同樣的天線尺寸，也比微波窄，因此指向性好，能夠分辨更近的小目標(biāo)，也能夠清楚地注意目標(biāo)的細(xì)節(jié)。

關(guān)于這幾個，我在這里展開，稍后也說明。

可能有同學(xué)會，什么是光束？

例如，在黑暗中打開手電筒，光線照射的方向就像光束一樣。 因為在空之間的傳輸過程中，無線電信號的質(zhì)量會衰減，但其能量傳輸仍有方向，這將形成波束。 光向這個方向的兩側(cè)分散，就像手電筒有照射方向一樣。 在通信行業(yè)中，開始降低固定功率的兩側(cè)所成的角度就是波束的寬度。

波束寬度與天線增益有關(guān)。 天線增益是指天線能夠?qū)⒛芰考性谝欢ǚ较蛏系哪芰?，就像手電筒能夠?qū)襞莸墓饽鄣绞裁闯潭鹊哪芰σ粯印?通常，很清楚天線的增益越大，波束就越窄。

天線的增益和什么有關(guān)？ 答案是波長。 天線增益有以下公式。

g表示天線增益，ae表示天線比較有效的孔徑比。 由該式可知，波長越短，天線增益越大，波束越窄。 毫米波的波長短，帶來窄波的特征。

這里就天線進(jìn)行說明。 順便說一下，根據(jù)通信原理，天線的長度與波長成正比，比率約為1/10~1/4。 毫米波的波長為毫米級，對應(yīng)的天線也會變短。 因此，通過在手機中采用毫米波技術(shù)，天線尺寸也可以更小。

當(dāng)然，具體來說它們的關(guān)系還多且雜，編輯只是大致梳理了一下關(guān)系，不方便繼續(xù)深入展開。

毫米波還具有傳輸質(zhì)量高的優(yōu)點。 由于其頻率非常高，毫米波通信幾乎沒有干擾源，電磁頻譜極其干凈，信道非常穩(wěn)定可靠。

另外毫米波的安全性也很高。 由于毫米波受大氣中傳播的氧氣、水氣、降雨的影響吸收衰減較大，點對點的直通距離較短，超過距離后信號變得微弱，竊聽和干擾的難度增大。 剛才說毫米波束窄，副瓣低，這也很難被攔截。

毫米波能夠大幅提高無線通信的傳輸速度，它已經(jīng)足夠吸引人，同時也有這些附帶的特點，但為什么這么多年沒有在手機通信行業(yè)商用？ 這是因為毫米波也有天然缺陷。 有所謂硬幣的兩面，同樣的特征、特征、不足，這些不足多年來一直渴望毫米波的商用化。

毫米波最大的不足是傳輸性能差。 這體現(xiàn)在三個方面。

第一，這些光譜不能到達(dá)太遠(yuǎn)的地方。 例如，在全方向發(fā)射的情況下，這些光譜的能量發(fā)散比較快，容易衰弱，無法到達(dá)很遠(yuǎn)的地方。

二是衍射能力低，容易被大樓、人體等遮擋、反射、折射。 這個很容易理解。 如果考慮極端的例子，可見光的波長比毫米波短，頻率高，則可見光很少穿過大部分物體。

第三，毫米波還受限于許多空之間的因素，其中第一個因素是水分子對這些光譜的吸收度很高。 例如，這些光譜在下雨時、經(jīng)過樹葉時、經(jīng)過人體時，衰弱得非常快。

另一個原因是，以往很難生產(chǎn)能夠應(yīng)對毫米波段的亞微米尺寸的集成電路元件，需要比較大的金錢投資，阻礙了商用化。

二、毫米波不好用，但也有控制的方法

由于毫米波具有上述缺點，因此在過去很長一段時間內(nèi)難以商用。 但是，隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，目前領(lǐng)域有控制毫米波的比較成熟的做法。 這里主要有波束成形技術(shù)、大規(guī)模MIMO(massiveMIMO )技術(shù)等。

本節(jié)介紹克服毫米波缺點，并將其應(yīng)用于高成本場景的技術(shù)。

首先是大規(guī)模的天線技術(shù)。 之前說明毫米波的波束寬度時，說的是毫米波的波長窄，但實際上毫米波的波長短會影響天線增益，也間接影響接收功率。

上述公式是空間自由傳輸模型(理想傳輸模型)的接收天線功率計算公式。 結(jié)合上述天線增益計算式，可知在發(fā)送側(cè)的發(fā)送功率和天線增益一定的情況下，接收側(cè)的接收功率與天線的相對有效數(shù)值孔徑成比例，與發(fā)送天線和接收天線之間的距離的平方成反比。

因此，波長對天線孔徑尺寸的影響也間接影響功率。 與以往運用的厘米波或更高的波長頻帶相比，毫米波的波長短、信號衰減大、接收天線接收的信號功率減小。 接收端的功率減少，顯然不行。

在這種情況下，我們不能隨便增加電力。 由于國家對天線的功率有限制，因此即使減少發(fā)射天線和接收天線之間的距離也不會顯示。 本來，人拿起手機就是處于不斷移動的狀態(tài)。 因此，正在考慮增加發(fā)送天線和接收天線的數(shù)量的應(yīng)對方法。

大規(guī)模的mimo技術(shù)就是基于這種想法而誕生的，也有多進(jìn)多出( multiple-input multiple-output )、多個天線發(fā)送、多個天線接收的名字。

其實多輸入多輸出mimo技術(shù)不是新技術(shù)，以前流傳下來的tdd互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)雙天線、四天線甚至八天線的多輸入多輸出，但是在5g的大規(guī)模mimo理念下，理論上天線數(shù)量可以是成百上千個，價格等等。

在大規(guī)模的mimo技術(shù)中，第一個優(yōu)點是即使在單個天線的功率較低的情況下也仍然能夠得到良好的信號質(zhì)量。 有很多天線，為了發(fā)揮力量，可以通過波束成形技術(shù)(后述)的支持將增益疊加在信號上，來滿足系統(tǒng)的功率需求，也不需要采用寬動態(tài)范圍功率放大器帶來的硬件價格。

另一個重要特征是增加通信容量。 大型mimo具備波束空之間的復(fù)用的特征，完全利用空之間的傳輸中的多徑分量，通過使用多個數(shù)據(jù)信道[MIMO子信道]在同一頻帶發(fā)送信號，從而實現(xiàn)天線

在大規(guī)模mimo系統(tǒng)中，基站的天線數(shù)量變多，形成陣列，除了水平方向以外，在垂直方向上也可以進(jìn)行行波束形成和波束引導(dǎo)，空間的復(fù)蓋提高，且利用波束成形技術(shù)傳輸?shù)男盘柋话l(fā)送到/ [

在大規(guī)模mimo技術(shù)中，反復(fù)提到了波束成形這一技術(shù)，可以說該技術(shù)是大規(guī)模mimo的基礎(chǔ)技術(shù)。 如上所述，毫米波的波束很窄，而且在全方向發(fā)射的情況下，會發(fā)生達(dá)到數(shù)十db的信號衰減損失，傳輸距離有限。

波束成形技術(shù)的第一想法是，用一只手收集離散的波束，不擴散不浪費，形成定向發(fā)射。 具體地說，通過調(diào)節(jié)各個天線的相位來有效地疊加信號，產(chǎn)生更強的信號增益，從而克服損失，將發(fā)送能量集中到客戶的位置上。

這樣，如果有波束成形技術(shù)，指向哪里不是很美嗎？

不，其實這也有缺點。 那不像向所有方向發(fā)射，如果波束的方向偏離客戶，客戶反而無法接收到優(yōu)質(zhì)的無線信號。 面對這樣的問題，不僅需要大規(guī)模的mimo，還需要與波束管理技術(shù)配合應(yīng)對。

波束管理技術(shù)的具體實現(xiàn)方法多而復(fù)雜，但簡單來說，就是在大規(guī)模mimo的眾多波束中，通過高速找到基站與目標(biāo)組之間的發(fā)送波束和接收波束，從而大幅提高波束定位的精度。

在此舉一個例子，高通去年發(fā)售的qtm052毫米波天線模塊支持大規(guī)模的mimo和波束成形技術(shù)。 在該模塊中，高通使用多個天線來形成相控天線陣列，天線之間的信號受到相互干擾的影響，可以將信號能量集中在一個方向上發(fā)射； 它們不采用全向發(fā)射，而是選擇定向發(fā)射，可以將能量傳遞得更遠(yuǎn)，從而提高覆蓋面。

在此基礎(chǔ)上，高通采用波束制導(dǎo)技術(shù)和波束跟蹤技術(shù)，可以更智能地跟蹤傳輸對象，控制波束的方向。

三、毫米波、應(yīng)用場景比想象中要廣闊

雖然敘述了很多毫米波的特征和將其商用化的技術(shù)，但是實際上最終的目的是用兩個文字來使用它。

事實上，毫米波未來的應(yīng)用場景可能會超出想象。 首先，毫米波的特征決定了其主要適用于大帶寬、高容量的場景，面向高帶寬的embb場景可以用于人口密度大、互聯(lián)網(wǎng)容量訴求大的熱點區(qū)域。

首先，毫米波適合部署在音樂會、體育館等大型會場的人口密集地區(qū)，能夠帶來數(shù)千兆位的速度、低延遲和無限容量的體驗。 過去，在萬人體育場觀看公演時，手機信號幾乎為零，不再無法上網(wǎng)，能給觀眾帶來獨特的個性化體驗。

這里有幾個需要補充的小編。 因為毫米波的波長很小，所以天線也可以變小。 這樣，將來在部署5g毫米波時，在普通的宏基站上一定會部署很多微型基站(小基站)，在城市的街頭、室內(nèi)角落都有可能看到。

這樣，毫米波就能更好地在室內(nèi)場景中引入APP，這是其優(yōu)勢。 可以使用1:1或部分相同的地址，實現(xiàn)幾乎相同的wifi上行鏈路和下行鏈路覆蓋，滿足利用更大帶寬實現(xiàn)數(shù)千兆位中指突發(fā)率的訴求。 總之，就是要讓互聯(lián)網(wǎng)體驗更高質(zhì)量。

此外，毫米波還可用于固定無線寬帶接入服務(wù)，典型的是滿足4k、8k電視這樣的傳輸訴求，滿足郊區(qū)居住區(qū)的視頻訴求。 一個典型的場景是，在家購買cpe設(shè)備導(dǎo)入無線互聯(lián)網(wǎng)，通過電視網(wǎng)絡(luò)觀看最多8k的超高清視頻。 當(dāng)然，前提是有足夠的流量。

未來，毫米波可以在汽車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)有非常重要的APP，為互聯(lián)網(wǎng)汽車通信提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和精度，提高雷達(dá)工作的分辨率，實現(xiàn)更準(zhǔn)確的駕駛安全輔助。

毫米波也有一個重要的應(yīng)用行業(yè)——軍事。 其實毫米波在軍事行業(yè)已經(jīng)得到應(yīng)用，其豐富的頻率資源不僅是寬帶通信的重要手段，還提供了另一種抗干擾、抗截獲的比較有效的方法。 但這幾個離我們普通客戶很遠(yuǎn)。

四、毫米波，已經(jīng)在路上

說了這么多，不是越來越期待毫米波在未來的應(yīng)用嗎？ 還是對未來5g的時代越來越期待？

其實沒有必要著急。 從今年開始，最初的5g智能手機將陸續(xù)發(fā)售。 例如在安卓陣營，他們大部分使用高通量855+高通量x50 5g調(diào)制解調(diào)器的方案。 如上所述，高吞吐量x50是支持28ghz毫米波段中的數(shù)據(jù)連接的5g調(diào)制解調(diào)器芯片組。 也就是說，在毫米波的應(yīng)用中，高通量已經(jīng)給出了成熟的可商用的處理方案。 當(dāng)然，在今年的mwc2019年間，高通還推出了包括新一代毫米波天線模塊qtm525在內(nèi)的、支持更薄、更高效的5g多模移動終端的第二代5g射頻前端處理方案。

隨著5g商用部署流程的不斷推進(jìn)，5g終端的未來推出，毫米波將穩(wěn)步服務(wù)于我們?nèi)粘Ｔ诰W(wǎng)絡(luò)上的訴求，進(jìn)而，毫米波的超高性能將產(chǎn)生新鮮的終端設(shè)備，給我們以往的生活娛樂和工作方法帶來翻天覆地的變化 它在骨干連接技術(shù)提供商、運營商和終端制造商的協(xié)助下，一步步走過來。