毫米波​（mmWave）：​频​段​之战

EastWest

概览
无线​设备​和​其​处理​的​数据​量​每年​都​呈​指数​递增​(53% 复合​年​增长​率​[1])。​随着​这些​设备​产生​并​处理​的​数据​量​越来越​多，​连接​这些​设备​的​无线​通信​基础​设施​也​必须​持续​发展​才能​满足​需求。​如​图 1 所​示，​4G 网络​频​谱​效率​的​提高​已经​不足​以​提供 3GPP[2] 定义​的​三大​高级 5G 用例​所需​数据​速率​的​阶梯​函数​了，​这些​用例​旨​在​提供​无处​不在​的​即时​移动​宽​带​数据。​认识​到​这​一点​后，​研究​人员​开始​寻找​更高​的​频率​作为​可能​的​解决​方案。​早期​信道​声​探​工作​带来​的​积极​成果​使​全球​无线​标准​化​组织​把​重点​转移​到​下一代 5G 无线​系统​该​怎样​整合，​以及​如何​从​新的​频率​和​更​广​的​带​宽​中​受益。.
内容
定义​5G​的​关键​绩效​指标
毫米波：​三​个​频率​的​故事
28 GHz
73 GHz
38 GHz
mmWave​原型​验证
总结
参考文献
定义​5G​的​关键​绩效​指标
所有​用例​的​设计​都​旨​在​使​未来​的​无线​标准​能够​处理​现有​无线​标准​不足​以​应对​的​新​应用，​每​一个​都​需要​一​整套​全新​的​关键​绩效​（KPI）。​IMT 2020 用例​定义​的​增强​移动​宽​带​（eMBB）​预计​最大​数据​速率​可达 10 Gb/​s，​是 4G 的 100 倍​[3]。​根据​香​农​定理​总结​的​信道​容量​与​带​宽​（频​谱）​和​信道​噪声​的​关系​[4]，​数据​速率​与​可用​频​谱​息​息​相关。​鉴于​小​于 6 Ghz 的​频​谱​已经​全部​分配，​所以​超过 6 Ghz 的​频​谱，​特别​是在​毫米波​范围​中的​频​谱​就​成为​应对 eMBB 用例​的​绝​佳​选择。





Figure 1: Three high level 5G use cases as defined by 3GPP and IMT 2020


毫米波：​三​个​频率​的​故事
为​服务​客户，​全球​的​服务​运营​商​在​频​谱​上​花费​了​几​十亿​美元。​频​谱​高昂​的​拍卖​价格​也​突显​了​其​市场​价值​以及​这种​珍贵​资源​的​稀​缺​性。​开发​新的​频​谱​能够​让​服务​运营​商​容纳​更多​用户，​并​提供​更​高性能​的​移动​宽​带​数据​体验。​与​小​于 6Ghz 的​频​谱​相比，​毫米波​更加​丰富，​需要​的​许可​也​更少，​也就是说​全球​的​服务​运营​商​都能​用​上。​先进​的​硅​制造​工艺​大幅​降低​了​毫米波​设备​的​价格，​完全​可​用于​消费​电子​产品。​目前​影响​毫米波​应用​的​主要​问题​在于​这个​频​谱​的​很多​方面​都没​经过​研究，​需要​解答​技术​问题。

​服务​运营​商​已经​开始​研究​毫米波​技术，​以​评估​适用​于​移动​应用​的​最佳​候选​频率。​国际​电信​联盟​（ITU）​和 3GPP 就 5G 标准​研究​的 2 个​阶段​规划​达成​了​共识。​第​一个​阶段​研究 40 GHz 以下​的​频率，​以​满足​较​为​紧急​的​商业​需求，​将​于 2018 年 9 月​完成。​第二个​阶段​计划​从 2018 年​开始，​到 2019 年 9 月​完成，​以​解决 IMT 2020 概述​的 KPPI，​该​阶段​专注​于​最高 100 Ghz 的​频率。
​为​使​毫米波​频率​实现​全球​统一​标准​化，​在​最近​的​世界​无线​电​通信​大会 (WRC)​[5] 结束​后，​ITU 发布​了​从 24 Ghz 到 86 Ghz 的​全球​可用​频率​建议​列表：



24.25–​27.5GHz                                        31.8–​33.4GHz

37–​40.5GHz                                             40.5–​42.5GHz

45.5–​50.2GHz                                           50.4–​52.6GHz

66–​76GHz                                                      81–​86GHz


​在 ITU 发布​建议​后​不久，​美国​联邦​通信​委员​会​（FCC）​于 2015 年 10 月 21 日​发布​了​规则​制定​建议​通知​（NPRM），​建议​采用 28 GHz、​37 GHz、​39 Ghz 和 64-71 Ghz 频​段​[6]​灵活​的​新​服务​规则。





​图 2：​适合​移动​应用​的 FCC 建议​频​段​[6]



​虽然 ITU、​3GPP 和​其他​标准​机构​决定​将 2020 年​作为​规定 5G 标准​的​最后​时限，​但​手机​供应​商​正​努力​加快​提供 5G 服务​的​步伐。​美国​的 Verizon 和 AT&T 计划​在 2017 年​就​推出 5G 的​早期​版本。​韩国​计划​在 2018 年​奥运​会​推出 5G 试用，​而​日本​希望​在 2020 年​的​东京​奥运​会​上​展示 5G 技术。​通过​各​群体​在​各种​因素​推动​下​的​不断​努力，​一些​频率​已经​开始​成为 5G 的​候​选项：​28 GHz、​39 Ghz 和 72 GHz。

​这 3 个​频​段​脱​颖​而出​是有​原因​的。​首先，​与 60 Ghz 会​因​氧​吸收​[7]​产生​约 20 dB/​km 损耗​不同，​如下​图​所​示，​这些​频​段​的​氧​吸收​率​要​低得​多，​更​适用​于​长​距离​通信。​这些​频率​在​多​通道​环境​中也​表现​良好，​可​用于​非​视​距​通信。​毫米波​将​高度​定向​天线​与​波束​成形​和​波束​追踪​相​结合，​可​提供​极为​安全​可靠​的​链​路。​纽约​大学​理工学院​的 Ted Rappaport 博士​和​他的​学生​已经​开始​研究 28GHz、​38GHz 和 73Ghz 的​通道​特性​与​潜在​效能。​他们​发表​了​数​篇​论文，​探讨​这些​频率​的​传播​测量​以及​潜在​服务​中断​研究。​通过​这些​频率​的​现有​数据​和​研究​加上​全球​可用​频​谱，​就​能​从​这 3 种​频率​开始​制作​毫米波​的​原型。





图​3：​毫米波​频率​的​大气​吸收​率​（dB/​km）​[7]




28 GHz
如上​文​所述，​服务​供应​商​渴望​获得​还​未​分配​的​大量​毫米波​频​谱，​它们​将​成为 毫米波​频​谱​将​使用​哪些​频率​的​关键​影响​因素。​2015 年 2 月，​三星​独自​进行​了​信道​测量，​发现 28 Ghz 可​用于​手机​通信。​此次​测量​证明​城市​环境​确实​存在​路径​损耗​（非​视​距​（NLoS）​链​路​的​路径​损耗​指数​为 3.53），​三星​表示​该​数据​说明​毫米波​通信​链​路​可​支持 200 米​以上​的​距离​[8]。​他们​的​研究​还​包括​相位​阵​列​式​天线，​并​开始​打造​能​使​手机​采用​复杂​的​相位​阵​列​式​天线​的​特色​设计。​在​日本，​NTT Docomo 与​诺​基​亚、​三星、​爱​立​信、​华​为​以及​富士通​合作，​成功​进行​了 28 Ghz 及​其他​频率​的​现场​测试。

​2015 年 9 月，​Verizon 宣布​将​于 2016 年​与​包括​三星​在内​的​主要​合作​伙伴​在​美国​进行​现场​测试。​这​比​到 2020 年​实现 5G 标准​的​期限​还​提前​了 4 年，​使 Verizon 成为​了 5G 市场​的​先行​者。​2015 年 11 月，​高​通用 128 根​天线​在 28 Ghz 进行​了​实验，​以​展示​毫米波​技术​在​密集​城市​环境​中的​应用​以及​怎样​将​定向​波束​成形​用于​非​视​距​通信。​在 FCC 宣布 28 GHz 频​谱​可​用于​移动​通信​后，​预计​美国​将​进行​进一步​的​实验​和​现场​测试。​Verizon 还​宣布​向 XO communications 租用 28 Ghz 频​谱，​并​具有​在 2018 年底​买​下​的​购买​选择​权。

​但​值得​注意​的是，​28 Ghz 频​段​并不​在 ITU 全球​可用​频率​列表​之中，​所以​是否​能​成为 5G 毫米波​应用​的​长期​频率​还​未​确定。​但​该​频​谱​已​用于​美国、​韩国​和​日本，​而​无论​其​是否​成为​全球​标准，​美国​服务​供应​商都​承诺​尽早​进行​现场​测试​以​推动 28 GHz 进入​美国​移动​技术。​韩国​希望​能​在 2018 年​奥运​会​上​展示 5G 技术， 因此​也在​标准​机构​敲定 5G 标准​前​推动 28 GHz 进入​消费​产品​领域。​该​频率​不在​国际​移动​通信​（IMT）​频​谱​列表​之中​的​事实​并​没有​被​忽略，​几​位 FCC 委员​都​表达​了​关注。​委员 Jessica Rosenworcel 于 2016 年 2 月​在​华盛顿​的​演讲​中​说道：


“从​长远​来看，​我​认为​美国​需要​在​某些​方面​单独​前​行，​其中​就​包括 28Ghz 频​段。​很遗憾，​去年​在​日内瓦​举行​的​世界​无线​电​大会​没有​讨论​这​一​频​段，​也​未​将​其​列入 5G 频​谱​研究​列表。​但​该​频​段​可​用于​全球​移动​分配，​所以​我​认为​美国​应该​继续​探索​这个​前沿​频​谱。​韩国​和​日本​已经​开始​了​对​该​频​段​的​测试，​所以​我们​不能​在​这个​时候​退缩。​我们​必须​靠​着​自己​前进，​并​在​今年​底​搭建​好 28Ghz 频​段​的​框架。”


​委员 Michael O’Rielly 甚至​撰写​了​一篇​博文​向 FCC 表达​他​对 2015 世界​无线​电​大会​（WRC）​结果​的​不满：


“这​让​我​开始​思考 2015 世界​无线​电​大会​产生​的​实际​效果​以及​在​未来​对 ITU 的​作用​造成​的​影响。​这些​做法​很可能​会​损害 WRC 未来​的​价值，​使 ITU 沦​为​政府​和​现有​频​谱​用户​的​工具，​阻碍​频​谱​效率​和​技术​进步​[9]”

EastWest

28 GHz 是否​会​成为​广泛​采用​的 5G 频率​还有​待​观察，​但​它​在​目前​显然​非常​重要。.




73 GHz
在​围绕 28 Ghz 开展​工作​的​同时，​E-​band 频率​在​近​几年​也​引起​了​移动​通信​领域​的​关注。​根据​纽约​大学​对 73 GHz 进行​的​信道​测量，​诺​基​亚​开始​研究​这​一​频率。​在 2014 年​国家​仪器​公司​的​年​会 NI 周​上，​诺​基​亚​使用​国家​仪器​公司​的​原型​硬件​展示​了​首​个​在 73 Ghz 运行​的​空中​传输​应用。​该​系统​还​将​随着​研究​的​进行​持续​发展，​并​不断​公开​展示​新的​技术​成果。​在 2015 全球​移动​大会​上，​该​原型​系统​凭借​透镜​天线​和​波束​追踪​使​数据​传输​速率​超过​了 2Gbps。​2015 年​的​布​鲁​克​林 5G 峰会​展示​了​该​系统​的​多​输入​输出​（MIMO）​版本，​运行​速率​高达 10 Gbps。​不到​一年，​全球​移动​大会​又​用​该​原型​展示​了​运行​速率​超过 14 Gbps 的​双向​空中​链​路。

​诺​基​亚​并不​是​唯一​在 MWC 2016 上​展示 73 GHz 技术​的​企业，​华​为​和​德国​电信​也​展示​了 73Ghz 的​原型。​该​原型​采用​多​用户​（MU）​MIMO，​展现​出​高​频率​效率，​个体​用户​的​速率​有​可能​超过 20 Gbps。

​已经有​针对 73 Ghz 的​研究​启动​了，​预计​未来 3 年​还​会​更多。​73 Ghz 不同​于 28 Ghz 和 39 Ghz 的​一项​根本​特征​就是​支持​连续​带​宽。​73 Ghz 的​移动​通信​可​采用 2 Ghz 的​连续​带​宽，​是​建议​频率​频​谱​中​最​宽的。​相比​之下，​28 Ghz 提供 850 MHz 带​宽，​39 GHz 附近​有 2 个​频​段​在​美国​分别​提供 1.6 Ghz 和 1.4 Ghz 的​带​宽。​如​之前​所述，​根据​香​农​定理，​更多​带​宽​就​等于​更多​的​数据​吞吐量，​这​是 73 Ghz 相对​上述​其他​频率​的​巨大​优势。




38 GHz
虽然​目前 38 Ghz 的​公开​研究​是​最少​的，​但​该​频率​仍然​有望​进入 5G 标准。​ITU 将​其​列为​了​全球​可用​频率，​纽约​大学​也​根据​现有​信道​数据​证明​这​是​一个​可用​频率。​与 28 Ghz 或 73 Ghz 相比，​该​频率​面临​的​一大​挑战​就是​其​目前​的​使用​量​较​多。​FCC 为​潜在​移动​应用​提出​了​建议​频​谱，​以​促进​美国​未来​对​该​频​段​的​研究。

​Verizon 在​专注​于 2016 年​首次 28 Ghz 现场​测试​的​同时，​还​计划​着​测试 39 GHz。​XO Communications 不仅​拥有 28 Ghz 的​许可，​还​拥有​大量 39 GHz 的​许可。​该​频​谱​获得​了​服务​供应​商​对​如此​巨大​的​投资，​且​位于 IMT 列表，​因此​必将​是 2020 5G 标准​的​有力​争夺​者。




mmWave​原型​验证
为​促进​毫米波​在 5G 领域​的​应用，​研究​人员​必须​开发​新的​技术、​算法​和​通信​协议，​因为​毫米波​信道​的​基本​属性​与​现有​手机​模式​不同，​因此​未知​事宜​很多。​制作​毫米波​原型​的​重要性​怎么​强调​都不​为​过，​特别​是在​早期​阶段。​制作​毫米波​系统​原型​可​证明​技术​或​理念​的​可行性，​而​单凭​模拟​无法​做到​这​一点。​使用​毫米波​原型​在​各种​场景​进行​实​时空​中​通信​有助​于​揭示​毫米波​信道​的​秘密，​实现​技术​运用​和​发展。

​制作​完整​的​毫米波​通信​原型​面临​诸​多​挑战。​假设​有​一个​能够​处理​多 GHz 信号​的​基​带子​系统，​目前​多数 LTE 执行​通常​都​使用 10 Mhz （最大 20 MHz ）​信道，​计算​负载​与​带​宽​成​正比。​也就是说，​计算​能力​必须​增加 100 倍​以上​才能​满足 5G 的​数据​速率​要求。​考虑​到​毫米波​系统​的​物理​层​计算，​FPGA 对​原型​制作​至​关​重要。

​开发​能够​验证​毫米波​应用​原型​的​定制​硬件​非常​困难。​毫米波​频率​如此​吸引​通信​业​的​原因​之一​就是​大​容量​的​连续​带​宽。​为 5G 应用​寻找 1 到 2 Ghz 带​宽的​现有​硬件​发射​器​或​接收​器​十分​昂贵，​而有​的​频率​根本​找不到。​即便​能​找到​这样​的​硬件，​其​配置​和​处理​原始​数据​的​能力​也​有限。​因此，​设计​定制 FPGA 处理​板​卡​就​成为​一个​有​吸引力​的​选择。​虽然​为 FPGA 板​设计​硬件​所需​的​工程​时间​并不​多，​但是​还​要​开发​与其​通信​的​软件​接口，​即便​是​最有​经验​的​工程​师​也​需要​在​设计​流程​花上​一年​甚至​更​久，​而​这​只是​原型​系统​的​一个​组​件。

​除了 FPGA 板，​毫米波​原型​系统​还​需要​最​先进​的​数​模​和​模数​转换​器​捕捉 1-2 Ghz 的​带​宽。​如今​市场​上有​部分 RFIC 包含​能​转换​基​带​和​毫米波​频率​的​芯​片，​但​选择​有限，​而且​多数​只能​用于 60 Ghz 频​段。 IF 和 RF 阶段​可​代替 RFIC。​一旦​工程​师​有了​基​带​和 IF 解决​方案，​供应​商​就​能​为​毫米波​无线​电​头​提供​更多​基​带 RFIC 以外​的​选择，​但​仍然​十分​有限。​开发​毫米波​无线​电​头​需要 RF 和​微波​设计​的​专业​知识，​和​开发 FPGA 板​所需​的​技能​完全​不同，​也就是说​整个​团队​必须​具备​开发​所有​所需​硬件​的​各种​技能。​必须​将 FPGA 作为​毫米波​基​带​原型​系统​的​核心​组​件，​而​编写​能​处理​多 Ghz 信道​的​多 FPGA 系统​会​增加​系统​的​复杂​度。​为​解决​服务​供应​商​和​通信​研究​人员​面临​的​系统​复杂​度​和​软件​问题，​国家​仪器​公司​提供​了​一系列​可​配置​的​毫米波​原型​硬件​以及​毫米波​物理​层​源​代码，​其中​包含​毫米波​系统​基​带​的​基本​层面，​还​将​多 FPGA 的​数据​传输​和​处理​抽象​化，​从而​简化​任务。​这些​工具​都​旨​在​将​新​原型​转变为​对 5G 技术​的​发展​至​关​重要​的​系统​和​产品。



总结
虽然 5G 未来​的​具体​实现​方式​尚未​明确，​但​可以​肯定​毫米波​必将​成为​其​技术​之一。​为​满足​数据​吞吐量​的​要求，​必须​采用 24Ghz 以上​的​大​容量​连续​带​宽，​而​研究​人员​已​通过​原型​证明​毫米波​技术​可​提供 14Gbps 以上​的​速率。​尚未​解决​的​最大​问题​就是​移动​通信​要​使用​哪​一个​毫米波​频率。​ITU 也许​能​帮助​确定 5G 移动​应用​的​一个​频率。​现在​的​手机​仅​需​开发​并​使用​一套​硅​芯​片​而不是​多​套​芯​片​组​就​能​覆盖​全球，​手机​制造​商​和​消费​者​都能​从​降低​的​成本​中​受益。​但是，​重新​分配​现有​频率​成本​高昂。​理想​情况​是​全球​都能​同意​使用​一个​频带，​但​最终​可能​无法​实现。​为了​赶时间，​各地​服务​供应​商都​选择​忽略 ITU 的​建议，​采用​虽然​不能​扩展​到​全球，​但是​最为​方便​的​频​谱。​他们​还​利用​了​在​现场​测试​和​实验​中​准确​制作​双向​通信​链​路​原型​的​能力，​这​是 5G 开发​的​关键​部分。​研究​人员​由此​得以​展示​这​一新​技术，​以​前所未有​的​速度​推动​标准​化​进程。

​尽管​仍然​充满​未知，​但​可以​肯定​的是，​未来​一定​会​部署​毫米波​技术，​而且​会​非常​快。​新一代​无线​通信​即将​到来，​全世界​都在​关注​其​具体​的​实现​方式。

xulihuang

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