5G毫米波

在之前的5G專題中我們介紹過5G的《頻譜分布》，其中，F(xiàn)R2頻段使用的是毫米波。毫米波是5G關(guān)鍵技術(shù)之一，在其他幾代的移動(dòng)通信中也從未使用過毫米波。本章節(jié)將和大家一起學(xué)習(xí)毫米波。

我們知道，無線通信的載體就是電磁波，通過電磁波傳遞消息，同樣這里的5G毫米波同樣也是電磁波，它是一個(gè)特定頻段的電磁波。

c：波速，單位：m/s，光速是一個(gè)常量，真空中約等于3×10^8m/s；

f：頻率，單位：Hz，1兆赫茲（MHz）=1000千赫茲（KHz）=1×10^6赫茲（Hz）；

λ：波長，單位：m；

根據(jù)上面的公式，基站發(fā)出的無線信號(hào)是在空氣中傳播，其傳播速度為光速c=3x10^8m/s，所以其波長與頻率之間的關(guān)系是負(fù)相關(guān)，即頻率越高波長越短，3GPP定義的FR2頻段，其波長范圍在1毫米-10毫米之間。通俗上講，我們把這個(gè)頻段叫做毫米波。

根據(jù)電磁波的特性，電磁波的傳播不需要介質(zhì)，同頻率的電磁波，在不同介質(zhì)中的速度不同。不同頻率的電磁波，在同一種介質(zhì)中傳播時(shí)，頻率越大折射率越大，速度越小，穿透能力越弱。所以，對(duì)于FR2頻段的毫米波而言，會(huì)比FR1頻段的Sub-6G頻段，信號(hào)的損耗要大得多，而且也極易受陰雨天氣影響。

對(duì)于毫米波來說，需要建設(shè)大量的基站才能達(dá)到覆蓋要求。如果覆蓋不到位，因?yàn)樾盘?hào)很容易受到物體的遮擋?？赡芫驼娴臅?huì)出現(xiàn)這樣一幕，你站在一位正在玩兒手機(jī)的同學(xué)的面前，他可能就會(huì)說，“胖子，你擋到我手機(jī)信號(hào)了！”

那么問題來了，相對(duì)來說，毫米波的穿透能力差，損耗大，為什么還要去用它呢？

雖然毫米波的損耗大大高于Sub-6G，但是毫米波段不像Sub-6G頻譜被分割的零零散散。所以說，毫米波頻段的頻譜較為干凈，干擾較小，更重要的是毫米波段能有更大的帶寬，而根據(jù)香農(nóng)公式，帶寬越大信道容量越大，可支持的通信速率就越高。就像公路一樣，車道越寬，車道越多，馬路上通行的車輛越多。

在3GPP中規(guī)定，要求5G速度可以達(dá)到20Gbit/s，這個(gè)速度在Sub-6G是很難辦到的，要達(dá)到這個(gè)速度就要由毫米波出場了。那么，如果使用毫米波，那么它的傳播時(shí)的衰減那么大，這要建起來得建不少基站??！這建設(shè)成本得有多大啊！這又該怎么解決？

要解決這個(gè)問題，就要用到之前5G專題中講到的massive MIMO和波束賦形技術(shù)，之前也有介紹過《波束賦形（Beamforming）》。由于天線尺寸與信號(hào)波長成正比，在同樣大小的射頻模塊中，可以布置更多的天線陣列。在massive MIMO天線陣列中，再使用波束賦形技術(shù)可以將信號(hào)能量集中在極窄的波束精確地指向用戶，從而使信號(hào)傳輸的更遠(yuǎn)。

我們知道波束賦形可分為數(shù)字波束賦形和模擬波束賦形兩種。那么，對(duì)于毫米波來說，我們選擇哪一種呢？

如果使用數(shù)字波束賦形，在毫米波中需要應(yīng)用到大量的天線，我們知道數(shù)字波束賦形是在數(shù)字信號(hào)處理波束賦形，每個(gè)天線上就需要獨(dú)立的數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器，混頻器，濾波器和功放等器件。對(duì)于這些器件來說，不僅在功耗上是個(gè)問題，成本上也可算是一個(gè)不小的數(shù)目，而且對(duì)于硬件的設(shè)計(jì)復(fù)雜度也大大增加，尤其是毫米波電路設(shè)計(jì)。

對(duì)于毫米波我們可以選擇模擬波束賦形，可以在模擬信號(hào)部分處理波束賦形。那么就不需要那么多的獨(dú)立器件。電路的設(shè)計(jì)大大簡化，功耗也降低不少。

5G有三大應(yīng)用場景，毫米波在增強(qiáng)移動(dòng)帶寬的應(yīng)用上發(fā)揮著巨大的作用，毫米波可適用于AR，VR，高清視頻等需要大帶寬高速率的應(yīng)用場景。此外，毫米波還將被應(yīng)用于5G車聯(lián)網(wǎng)(V2X)，提供遠(yuǎn)超GPS和LTE精度的定位服務(wù)。這是因?yàn)榫嚯x分辨率與信號(hào)帶寬成反比，毫米波的大帶寬因而可以達(dá)到厘米級(jí)的定位精度。

當(dāng)前，全球已經(jīng)有很多國家在毫米波段有部署的計(jì)劃，可以說，毫米波是一個(gè)很有前景的方向。