毫米波要在5G时代大显身手，三频段有啥看点

　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。
　　1. 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
　　2. 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：
　　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］
　　3. 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。”