移動毫米波大變身
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房地產界的人們曾經笑談，關乎這個行業成敗的因素只有3個：位置、位置、位置。其實，這句話也同樣適用於無線電頻譜。蜂窩通信系統使用的頻率與房地產中的濱水區性質類似——備受追捧而又極度稀缺。如同在搶奪海景房的競爭中激烈競價的買主一樣，移動運營商也必須用盡各種辦法搶佔「黃金地段」，有時甚至花費數百億美元去換取電磁波大蛋糕中的小小一角。
這是因為蜂窩通信行業在其存在的40年內，一直都只能依靠被稱為特高頻頻段的一小段頻譜，這段頻譜僅占監管頻譜資源的百分之一左右。無線工程師們一直認為這段頻率範圍（即300兆赫到3000兆赫之間）是移動組網的「黃金頻段」。該頻段內電磁波的波長適宜，既可以使用適合手機的小型天線接收，又能繞過或穿透建築物、植物等障礙。即便使用低功率發射，這些電磁波也可以在任何無線傳播環境下（無論是東京市中心還是愛荷華州的農場）可靠地傳播若干公里。
但問題是，無論運營商們願意為這些頻譜支付多高的價格，頻譜資源的數量都遠遠無法滿足他們的需求。現在，智能手機和平板電腦的使用量持續猛增，人們瀏覽網頁、觀看視頻、在網上分享照片，電磁波承載、傳播著比以往多得多的數據。根據思科和愛立信的統計報告，全球移動數據量每年都會翻一番，且在未來可預見的時期內，這種指數級增長有可能一直持續下去。到2020年，平均每個移動用戶每年的數據下載量將會達到100萬兆——足以存取一千多部故事長片。
無線標準團體設計出各種巧妙的方案擴大第4代長期演進（4G LTE）蜂窩網路的容量，包括涉及多天線、更小的蜂窩以及更為智能的設備間協調的標準等。但是，這些解決方案無法應對當前的流量激增。第5代（5G）蜂窩技術將在2020年到來。為了部署5G網路，運營商無疑需要新的頻譜資源。但問題是到哪去找這些資源呢？
幸運的是，在3000兆赫以上的大段頻段中正好還有大部分未被使用。本篇文章討論的便是這些毫米波。
按照國際電聯的定義，毫米波波段，亦稱極高頻頻段，是指3萬兆赫到30萬兆赫之間的這段頻率。但是，我們所提到的毫米波波段也包括臨近的大部分超高頻頻段（大約1萬兆赫到3萬兆赫之間的這段頻率），原因在於這部分電磁波的傳播特性與毫米波非常相似。我們估計，政府監管部門會將毫米波波段內10萬兆赫的頻率劃分給移動通信——比當前蜂窩網路使用的帶寬要多一百多倍。通過利用這部分頻段，運營商們可以提供數百倍於4G LTE系統的數據容量，在把數據下載速度提高到每秒幾十吉比特的同時又能保持相對較低的消費價格。
許多人都認為這一前景簡直美好得令人難以置信。從過去來看，運營商們放棄使用毫米波頻譜是因為使用該部分頻譜所必需的無線電組件過於昂貴，而且他們認為這些頻率的電磁波在傳統樓宇和手機之間的傳播質量很差。他們亦擔心毫米波會被大氣、雨水和植被過多地吸收或散射，因而無法到達室內。
但是，這些觀點逐漸銷聲匿跡。相關的研究結果正在說服蜂窩通信行業重新審視這一大段未被充分使用的頻譜。
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儘管毫米波對於移動通信行業而言還比較陌生，但這項技術早已擁有一段出人意料的漫長而傳奇的歷史。1895年，在義大利無線電先驅古列爾莫?馬可尼（Guglielmo Marconi）建立令公眾為之驚嘆的無線電報聯繫的前一年，一位名為賈加迪什?錢德拉?玻色（Jagadish Chandra Bose）的印度博學之士便在加爾各答的市政廳里展示了世界上首台毫米波信號設備。據說，他使用火花隙式發射機將頻率為6萬兆赫的信號發送出去，在穿過三面牆壁和該地副總督的身體之後發射到23米開外的一個漏斗形喇叭天線和探測器。發射過程中，信號觸發了一套簡單的設計裝置，敲響了鈴鐺，開了一槍，並引爆了一枚小型地雷。
然而，玻色的發明創造卻在半個多世紀之後才走出實驗室。率先使用這種毫米波組件的是士兵和無線電天文學家，他們將其改裝之後用於雷達和無線電波望遠鏡。幾十年後，汽車製造商們跟隨這種趨勢，將毫米波頻率應用於巡航控制和碰撞預警系統。
電信行業最初注意到這一新的頻譜範圍是在20世紀90年代末的網路繁榮期。現金充裕的創業公司們發現，部分毫米波頻段中仍然待價而沽的充裕帶寬對於家庭和企業的本地寬頻網路和對於向鋪設電纜過於困難或成本過高的地區提供「最後一英里」互聯網服務而言是個非常理想的選擇。於是，包括歐洲、韓國、加拿大和美國在內的世界各地的政府監管部門積極造勢，特意留出或拍賣掉大段的毫米波頻譜，專門用於上述用途。
但是，使用毫米波的消費產品卻遲遲未能問世。公司和企業們很快便意識到，毫米波的射頻電路和天線系統造價非常昂貴。而半導體行業則根本不具備製造運行速度適合毫米波頻率的商業級設備的技術能力或市場需求。於是，在近20年的時間裡，大段大段的帶寬便被白白閑置了。
然而，這一切都正在改變。部分得益於摩爾定律以及自動泊車系統和其他基於雷達的車內高級設備的日漸普及，現已完全可以把整個毫米波接收裝置集成在單獨一塊互補金屬氧化物半導體（CMOS）或硅鍺晶元中。現在，毫米波產品終於走入大眾市場。例如，許多高端智能手機、電視和遊戲筆記本電腦都安裝了基於兩項相互競爭的毫米波標準——無線高清介面（WirelessHD）和無線吉比特（WiGig）的無線晶元組。
這些技術並不適用於智能手機和發射塔之間的通信。實際上，它們在缺乏乙太網或HDMI電纜的情況下，在被用於在機器之間短距離傳輸大量數據，例如未經壓縮的視頻等。WirelessHD和WiGig系統均可以在6萬兆赫左右的頻率下工作，其工作頻段寬度通常為5000至7000兆赫左右——具體頻率取決於每個國家的具體標準。該帶寬內可容納的頻譜比當前最快的Wi-Fi網路所能達到的存取數據量要高若干個數量級，傳輸速率最高可以達到每秒7吉比特左右。
蜂窩網路的設備製造商們也已開始利用毫米波頻譜中可以使用的超寬頻段。包括愛立信、華為、諾基亞以及位於加州聖克拉拉的創業公司BridgeWave在內的多家供應商都在使用毫米波提供基站和骨幹網之間的高速視距連接，從而可以避免使用昂貴的光纖連接。
儘管毫米波可以用於提供新的室內及固定無線業務，但仍有許多專家對此持懷疑態度，例如，此類頻率能否為一輛在時代廣場上曲折行進的計程車內的平板電腦建立蜂窩連接？現在業界最大的擔憂是毫米波移動網路無法提供無處不在的覆蓋，特別是在城市等複雜的室外環境，其原因在於毫米波網路無法始終保證基站和手機之間的視距連接。例如，如果智能手機的用戶突然從一棵樹後面經過或迅速進入一個上方有覆蓋物的入口通道，毫米通信波便有可能無法穿透這些障礙物。
但是，這種情況下信號是否真的會丟失便是另外一個問題了。而且，事實證明這也是一個非常有趣的問題。
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2011年8月，本文的作者之一拉帕波爾（Rappaport，當時他還在德克薩斯大學奧斯汀分校）開始與學生們合作開展一項關於毫米波在城市森林中的績效表現的深入研究。在研究過程中，我們製作了一套被稱為信道測量儀的寬頻信號系統，該系統可以幫助我們分析毫米通信波在遇到傳輸路徑中的物體時的散射和反射情況，以及這些信號的能量損失速度。在此之後，我們在大學建築的屋頂上放置了4台發射機，並在校園周圍分散布置了幾十個接收器。
我們為這些實驗選用的天線類型屬於喇叭天線，也就是玻色在一百多年前獨自創造的天線的演進版。與擴音器類似的是，這種天線將電磁能量導入一束集中的波束，從而可以在不增加發射或接收功率的情況下提高天線增益。將我們製造的天線固定在可旋轉的機器人平台上之後，我們便可以把波束調向任意方向。
對於未來的毫米波移動系統而言，無論是在移動網路的基站端還是手機端，這種波束控制系統都是一個非常關鍵的組成部分。在現實世界裡，與我們的實驗裝置不同的是，像智能手機、平板電腦等移動設備必須配備比我們在實驗中使用的天線外型更小且更為複雜的電動可控天線陣列。這一點我們將在下文中繼續探討。
實驗過程中，我們總共在七百多個不同的發射器-接收器組合的位置進行取樣。這些發射器-接收器組合的工作頻率均在3.8萬兆赫左右。對於蜂窩系統而言，該頻段可謂一個極佳候選項，原因在於世界許多地區均已指定將該頻段用於商業用途，但目前卻只有極少部分頻率被佔用。
令我們在移動行業的同事非常驚訝的是，我們發現這部分毫米波頻譜可以提供極佳的網路覆蓋。例如，我們的測量結果顯示，手機不必通過視距路徑與基站建立連接。事實證明，毫米波的高反射特性並非弱點，而是一個優勢。當毫米波遇到建築物、招牌、人等固態物體而發生反射時，它們會在環境中分散開來。這樣一來，接收器接收信號的幾率便提高了，但前提是發射器需要指向恰當的方向。
當然，對於任何無線系統而言，一旦接收器離開發射器一定距離，斷開連接的可能性便會增大。我們發現，以較低功率發射的毫米波信號大約會在200米左右開始出現信號中斷現象。對於早期的蜂窩系統而言，每個蜂窩的覆蓋半徑通常可延伸達幾公里，因此毫米波的有限覆蓋範圍一直是個問題。但在過去十年左右的時間裡，運營商不得不大幅縮小蜂窩規模，以便擴大網路容量。特別是在密集的城市中心地區，例如韓國首爾市中心，運營商們已經開始部署小型蜂窩（即可以安裝在燈柱或公交站亭內的緊湊型基站），此類蜂窩的覆蓋範圍一般不超過100米。
除此之外，小型蜂窩之所以可以作為毫米波通信的理想之選還有另外一個原因。眾所周知，在較長傳輸距離內，雨水和空氣會令毫米波逐漸衰減，因此，與當前使用的波長相對較長的特高頻頻率相比，毫米波的能量損失速度會更快。但是，早先的研究已經證明，在幾百米這種相對較短的傳輸距離內，這些自然的天氣因素對大多數毫米波頻率幾乎沒有任何影響，當然，也會有一些例外情況存在。
為了進一步證實我們的測量數據，我們將這套信道測量系統放到了全世界最為複雜的無線傳播環境之一——紐約市。在2012和2013年這兩年間，我們仔細研究了毫米波信號在另外兩個具有商業可行性的頻段（即2.8萬兆赫和7.3萬兆赫）的傳播情況，研究結果與我們在奧斯汀的發現幾乎毫無二致。即使在曼哈頓地區擁塞的街道上，我們安放的接收器也可以在大約85%的時間內與200米之外的發射器建立連接。通過整合來自多個信號路徑的能量，更加高級的天線可以把覆蓋範圍拓展到300米之外。
此外，我們還測試了毫米波頻率穿透普通建築材料的情況，測試發現，儘管毫米波可以在不損失過多能量的情況下穿過石膏板和透明玻璃，但一旦遇到磚塊、水泥以及厚重的有色玻璃，它們就會被完全阻斷。因此，雖然用戶可以在房間之間或通過透明窗戶接收到部分信號，但在一般情況下，運營商還是需要安裝重發器或無線接入點以便將信號引入室內。
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受到我們在奧斯汀得出的有關毫米波績效表現的早期測量結果的鼓舞，本篇文章的另外兩名作者——盧（Roh）和全（Cheun）——以及我們在韓國水原三星電子公司的同事們開始為商用蜂窩網路建造一款通信系統原型。我們使用被稱為貼片天線的矩形金屬薄片陣列取代了外型龐大的電動喇叭天線。這種貼片天線的一大優勢便是它們的尺寸，根據拇指規則，天線的尺寸須至少為信號頻率波長的一半。由於我們設計的系統原型的工作頻率為2.8萬兆赫（約1厘米），每個貼片天線的直徑便可以縮小到5毫米，與一片阿司匹林藥片的直徑差不了多少。
對於蜂窩傳輸而言，單個2.8萬兆赫貼片天線不會有太大的用處，這是因為天線尺寸越小，天線增益也相應越低。但是，我們可以把數十個微小的貼片排列成網格形式，從而可以在不提高傳輸功率的情況下放大它們的整體能量。這種天線陣列早已應用於雷達和空間通信系統之中，現在，包括英特爾、高通和三星在內的多家晶元製造商也開始將它們集成在WiGig晶元組中。與喇叭天線或碟形衛星天線相似的是，這種天線陣列也是通過將無線電波集中成一束定向波束來提高增益。但是，由於貼片天線陣列通過電子方式形成定向波束，因此便可以快速調節波束方向，從而找到並保持移動連接。
能夠將波束鎖定在移動目標上的天線陣列被稱為自適應或智能天線陣列。這種天線陣列的工作原理是這樣的：當陣列中的每個貼片天線發射（或接收）信號時，電波發生建設性干擾，在提高特定方向的天線增益的同時消除其他方向的增益。天線陣列越大，形成的波束便越窄。為了控制波束方向，陣列中每個貼片天線都會令信號的振幅和/或相位發生改變。在移動網路中，發射器和接收器會快速掃描彼此的波束，如同探照燈一般，直至最終找到信號最強的路徑，兩者便建立連接。隨後，為了保持連接，發射器和接收器會不斷評估信號的各項特徵（例如波達方向），並相應地重新調整波束方向。
上述波束形成和控制過程可以通過多種不同方式完成。既可以在信號發射之前（或剛剛接收到信號時）利用電子移相器或相位放大器在模擬信號階段完成，也可以在射頻信號轉換為模擬信號之前（或在轉換為數字信號之後）以數字形式完成。兩種方式各有利弊。數字波束形成技術具有更高的精確度，但也更為複雜，因此成本相對較高，其原因在於每個貼片天線都需要單獨的計算模塊和高耗電的數字-模擬（或模擬-數字）轉換器。而模擬波束形成技術則相對簡單，且成本相對較低，但由於需要使用固定硬體，這種技術的靈活性便稍遜一籌。
為了兼取兩者之長，我們設計了一種混合式體系結構。首先，我們在模擬前端使用移相器形成敏銳的定向波束，從而擴大了天線的通信範圍。然後，我們在後端利用數字處理技術單獨控制陣列中的不同分區。藉助這種數字輸入技術，我們可以完成更為高級的操作，例如將不同的波束同時對準多部手機，或向單獨一部設備發送多個數據流，從而可以成功提高下載速率。這種空間復用技術即人們所說的多輸入多輸出技術（MIMO）。
例如，在三星公司於2013年5月份發布的2.8萬兆赫原型系統中，我們為每台發射器和接收器都配備了一套便利貼大小的64天線陣列。但是，我們以數字方式將該陣列劃分成兩個32天線的MIMO信道。每個信道佔用500兆赫的頻譜，且可以形成寬度為10度的波束。在一次實驗室試驗中，我們使用這些獨立的波束以高於500兆比特/秒的速度迅速向兩座移動站點實現了近乎無誤差的數據傳輸。在另外一次試驗中，我們使用兩個信道與一座站點建立連接，數據傳輸速率超過了1吉比特/秒。作為對比，紐約市內4G LTE連接的標準數據傳輸速率平均在10兆比特/秒左右，而其理論速率則可以達到50兆比特/秒。
我們還把這套原型系統放到首爾附近的水原市的戶外環境中進行測試，試驗證明，即使當我們以8公里/小時的速度（相當於人跑步的速度）隨機移動站點時，該原型系統依舊可以保持差不多的數據傳輸速率。此外，我們還使用與當前4G LTE網路相差無幾的傳輸功率測試了系統的覆蓋範圍。即使在非視距傳播條件下，我們也發現移動接收器能夠與大約300米之外的發射器建立可靠連接，這無疑為我們在奧斯汀以及紐約的測量結果提供了強有力的支持。當各站點均位於彼此視距範圍之內時，它們的覆蓋範圍可延伸至近兩公里。我們認為這套系統完全有可能達到更遠的覆蓋距離，但由於受到實驗許可的限制，我們無法再開展相應測試。
還需要注意的是，該原型只是一套概念驗證系統。在使用更寬的帶寬、更窄的波束或更多MIMO信道的情況下，真實的網路一定可以實現更快的數據傳輸速率和更大的覆蓋範圍。例如，在電腦上利用三維城市模型模擬的想像小型蜂窩網路顯示，運營商完全可以把數據傳輸速率提高到每秒幾吉比特。
但是，實現這一點還有一個非常重要的限制因素，那便是手機和基站上可以安放這些複雜的天線陣列的空間。三星公司已經探索如何在Galaxy Note II手機上配備2.8 萬兆赫貼片天線。我們發現可以在智能手機的頂邊和底邊安放32個這種小型發射天線，而與此同時仍能提供360度全方位網路覆蓋。我們希望未來的毫米波基站能夠容納100個或者更多的天線。
這些硬體方面的嘗試以及在奧斯汀和紐約開展的測量活動令我們確信，毫米波蜂窩通信不僅是可行的，而且還將帶來革命性的成果。我們這兩支團隊開展的工作才僅僅是一個開始。設計完備的全尺度毫米波網路還需要有準確可靠的毫米波信道統計模型、簡約合理的波束形成演算法和功率高效的新空中介面標準，並且還需要克服諸多設計方面的挑戰。政府監管部門也需要採取主動，將毫米波頻譜劃分給蜂窩業務。
與此同時，世界各地的行業團體已在考慮5G技術的各種備選項目，其中不乏涉及更好的干擾管理和緊湊密集的小型蜂窩架構的各種方案，他們已經意識到毫米波系統將是各種備選方案的關鍵組成部分。到2020年，商用5G網路可能已經開始部署，屆時，毫米波段將不再被視為無線電房地產業中的廢棄邊緣地塊。相反，它們將成為最受青睞的目的地。
作者：Theodore S.Rappaport，Wonil Roh，KyungwhoonCheun
>>>本文為原創，轉載請回復。
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