毫米波5G任重道遠

近段時間，全球5G的大事較多。

3GPP剛在6月14日凍結了5G第一階段國際標準（含5G NSA與5G SA），6月18日，韓國即完成首次5G頻譜拍賣，為明年3月推出5G NSA商用服務打下了基礎。

其中就包含毫米波頻段——26.5-28.9GHz頻段。三大運營商各競拍到800MHz帶寬的毫米波頻譜資源：SK電訊28.1-28.9GHz，韓國電信26.5-27.3GHz，LG U+為27.3-28.1GHz。

此外，Verizon、AT&T也將分別從今年下半年、年底推出毫米波5G商用服務（註：前者目前使用自有5G規範）。

毫米波5G終端也在快速成熟。6月中旬發布的「Ericsson Mobility Report」顯示，今年下半年，將有28GHz頻段、39GHz頻段的隨身便攜無線路由器、CPE兩類商用終端推出；明年下半年，將有28GHz頻段、39GHz頻段的商用手機推出。

這意味著，毫米波5G在2018-2019可用於固定無線接入，從2019年下半年開始可用於移動接入。

到目前為止，關於把毫米波用於移動通信，業界還有一些爭議，甚至有相當一部分專家和企業對毫米波5G還持不樂觀態度。

任何事物都具有兩面性，毫米波5G也一樣。

當前，隨著通信技術產業的飛速發展，人們對超高數據傳輸速率短距離無線通信業務的需求與日俱增，而現有短距離無線通信技術僅能支持兆比特毎秒級數據傳輸速率，難以滿足超高吞吐量業務的服務質量（QoS）需求。為此，學術界和工業界將目光投向尚未得到充分開發和利用的毫米波頻段。

與傳統通信頻段相比，毫米波由於自身的傳播特性和無線頻譜管理的原因，具有較大的差異化優勢。

①適用於高速寬頻的多媒體業務，連續的頻譜，正交極化等復用技術使得毫米信道容量大大的提高；

②方向性好，安全保密性強，大氣對毫米波頻段的吸收高於微波波段，牆壁對毫米波頻段的吸收同樣很大，使得毫米波通信不易竊聽和干擾；

③傳輸可靠性高，毫米波頻段干擾系統少，信道質量較好；

④易於構建毫米波大規模天線陣列，當天線尺寸和載波的波長可比擬時，天線輻射效率最高，毫米波頻率高，波長短的特性使得小型設備上集成天線陣列成為可能，可使用空間復用技術提高系統的吞吐量。

但是，把毫米波用於無線通信的劣勢也很明顯：

①毫米波段信道具有路徑損耗大、多徑效應弱、穿透能力差和易受雨水遮擋等不足特點；

②由於受到製作工藝的限制，工作在高頻段的功放增益十分有限；

③通常，毫米波系統需要藉助較大規模的天線陣列的波束賦形來獲得較高的方向性增益；

④此外，在陣列的波束賦形方面，實現純數字基帶波束賦形要求為每根天線配置一條專屬的射頻模擬前端。這對由於工作頻率很高而對功耗和成本敏感的毫米波系統來說是非常大的挑戰。相比而言，在模擬基帶或射頻實現波束賦形則只需要一條或者少量的射頻模擬前端，是一種被當前毫米波系統普遍採用的以犧牲一部分性能來換取低成本和低開銷的解決方案。

⑤全數字大規模MIMO 陣列的幾十到幾百通道數和500 MHz 以上的信道帶寬將導致Tbit/s量級海量數據的實時處理問題；

⑥由於陣列天線單元間距二分之一波長的限制，在毫米波頻段將不得不將天線和多通道毫米波收發信機一體化集成，這將導致測量方法以及測量規範的變革，而且需要在多通道（2/4/8/16/32/64通道）毫米波單晶元、封裝技術以及封裝天線等方面取得突破；

⑦目前，毫米波5G不是基於全數字多波束的大規模MIMO技術，而是基於相控子陣的混合多波束陣；

⑧基於射頻無源波束形成網路的多波束陣是非常理想的實現大規模MIMO的技術，但對於高階波束形成網路，如何降低其插入損耗，是一個需要突破的瓶頸問題。

不過，雖然毫米波5G尚面臨很多挑戰，但要看到，幾年前面臨的瓶頸問題正在被陸續克服，毫米波多通道高集成度晶元和多通道高速基帶處理晶元日新月異，比如16通道、每通道模/數轉換採樣率達2 Gsps的高速基帶處理晶元等。另外可以預見，隨著集成電路的發展和系統集成技術的提高，毫米波5G最終會過到基於全數字多波束的大規模MIMO技術。

參考文獻：

[1] HONG W, JIANG Z H, YU C, et al. Multibeam Antenna Technology for 5G Wireless Communications[J]. IEEE Transactions on AP, 2017, 65(12): 6231-6249.

[2] CHEN P, HONG W, KUAI Z Q, et al, 「A Multibeam Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide MIMO Technology for Wireless Communications [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2009, 57(6):1813-1821.

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