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5G网络商用的王牌兵器:白话讲解毫米波意义何在

  笔者曾在不止一篇的文章中提到,5G网络将于今年正式进入预商用落地阶段。关于5G网络的好处,对于终端用户而言,你或许只需要知道它是一种相比4G网络的网速快出数倍、数十倍的全新网络,就像把你们家原有的4M入户宽带直接更换成千兆光纤一般。唯一不同的是,这次更换的网络你并不能看到实体的网线。


  就在前两天,笔者的一位友人来电咨询笔者,5G手机什么时候出来呀?我今年有没有必要更换5G的电话卡呀?当然,这些都是一些老掉牙的问题了。正在笔者觉得无聊想要挂掉电话的时候,友人的另一个问题引起了笔者的兴致——毫米波究竟是什么呀?它也是5G网络吗?

  当友人提到了毫米波时,笔者就感到比较的意外了,因为笔者的友人并非一个从事电信、媒体等相关行业的人士,他真的只是一个再简单不过的终端用户。他都开始听过毫米波了?但他似乎并不理解什么是毫米波。于是乎,笔者觉得,应该会有好多的终端用户与这位友人的情况相同,因此就有了产出这篇文章的动机。

如何理解毫米波?

  毫米波,这其实是一个非常学术的概念。由于笔者这篇文章是想要尽可能将它解释给“友人”去听,所以,笔者也在反复考虑究竟应该如何来比喻更为妥当。


  或许我们可以这样的来理解。笔者日常都生活在帝都,帝都的拥堵是全国人民都知晓的。未来,随着移动终端设备(可简单理解为智能手机)每月消耗的数据量(流量)不断上升,数据显示,从2013年到2023年,移动数据流量将实现超过60倍的增长。但是,用来传输移动数据流量的数据路径如果没有得到很好的升级的话。那就会好比当下的帝都一样,车辆不断增多,但道路并未拓宽,直接导致的问题就像周五下班时的北京三环、四环路况一般拥堵不堪。

  5G 新空口(5G网络的全球标准 )便是第一代使用毫米波的无线通信系统,而这样的通信系统,可以利用毫米波提供的更大的带宽来解决数据路径拥堵的问题。也就是说,毫米波可被简单理解为在现有的拥堵道路上架起一座高架桥,桥上便是更加宽阔的高速公路,从而有效的使得原有堵塞的道路(数据路径)得以缓解。


  根据学术数据显示,如今,诸如24.25-27.5GHz,27.5-29.5GHz频段的毫米波,其带宽可以比当前3G/4G网络带宽多25倍。

毫米波的优点在于?

  那么毫米波之所以会成为5G新空口其中的一种应用形式,自然也是与其多种优点不可分割的。那么毫米波究竟有哪些优点呢?

  优点一:极宽的带宽

  通常认为毫米波频率范围为26.5~300GHz,带宽高达273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收,在大气中传播时只能使用四个主要窗口,但这四个窗口的总带宽也可达135GHz,为微波以下各波段带宽之和的5倍。这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。这种吸引力就像,在红的发紫的地图导航上,发现一条绿色捷径般畅快。

  优点二:波束窄

  在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个12cm的天线,在9.4GHz时波束宽度为18度,而94GHz时波速宽度仅1.8度。因此能分辨相距更近的小目标或更为清晰地观察目标的细节。来自Qualcomm的马德嘉博士也表示,毫米波的波束很窄,可以让信号更精准地传输给特定的用户。这就好像手电筒与激光笔的区别,手电筒可以照亮一整个屋子的人,而激光笔可以具有针对性的准确的指向特定方向。


  优点三:探测能力强

  可以利用宽带广谱能力来抑制多径效应和杂乱回波。有大量频率可供使用,有效的消除相互干扰。在目标径向速度下可以获得较大的多谱勒频移,从而提高对低速运动物体或振动物体的探测和识别能力。

  这一特性一般会被广泛应用于军用雷达等技术领域。

  优点四:安全保密好

  毫米波通信的这个优点来自两个方面:

  1)由于毫米波在大气中传播受氧、水气和降雨的吸收衰减很大,点对点的直通距离很短,超过这个距离信号就会变得十分微弱,这就增加了敌方进行窃听和干扰的难度。

  2)毫米波的波束很窄,且副瓣低,这又进一步降低了其被截获的概率。

  优点五:传输质量高

  由于频段高毫米波通信基本上没有什么干扰源,电磁频谱极为干净,因此,毫米波信道非常稳定可靠,其误码率可长时间保持在10-12量级,可与光缆的传输质量相媲美。

  优点六:全天候通信

  毫米波对降雨、沙尘、烟雾和等离子的穿透能力却要比大气激光和红外强得多。这就使得毫米波通信具有较好的全天候通信能力,保证持续可靠工作。

  优点七:元件尺寸小

  和微波相比,毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小型化。

如此多的优点,无疑使得毫米波成为了5G时代的一颗耀眼的明珠。但是,毫米波也并不是那么的完美无限。


Qualcomm骁龙X55 5G调制解调器

毫米波的缺点是?

  凡是有利便有弊,对于毫米波而言,它还是拥有三大天然缺陷的。

  缺点一:信号衰耗大

  无线信号通过大气传播时,由于无线信号的吸收和散射,会产生信号衰减。通常认为,无线信号频率越高,传播损耗越大,覆盖距离越近。但是,在毫米波这里有些例外。毫米波在大气传播中主要受氧气、湿度、雾和雨的影响。

  1.氧气

  关于氧气的影响也不是一概而论的,不同毫米波波段受氧气的影响是不一样的。

比如,60GHz必须承受约20dB/km的氧气吸收损耗,而28GHz、38GHz与73GHz情况就好多了,这也正是目前一些运营商将28GHz定为主要测试对象的原因。

  2.湿度

  相对于氧气,湿度对于毫米波的衰减影响较大。在高温和高湿度环境下,其信号在1公里内可衰减一半(3dB/km)。和湿度同理,毫米波在通过雾和云层时,也会产生衰减。

  3.雨

  雨是毫米波最大的敌人。极端情况下,在特大暴雨天气下(降雨强度为50毫米/小时),毫米波传播损耗可达到18.4dB/km。毫米波真正面临的最大问题是——天气。虽然暴雨会引起毫米波信号大幅度衰减,但是只要做好足够的链路预算,并不会导致毫米波数据链路中断。

  我们在进行网络规划时,可根据不同地区的历史最大降雨量来预算毫米波无线链路损耗,确定毫米波的最大传输距离。

  缺点二:容易受到阻挡

  毫米波除了信号衰耗大外,还有另一大硬伤——阻挡。这硬伤很难克服,毫米波不但容易被建筑物阻挡,还会被人体本身阻挡,甚至是在手握手机时,手也能阻挡它。


Qualcomm通过技术解决人手对毫米波的阻挡

  缺点三:传播距离短

  这主要是因为毫米波是一种高频电磁波,是无法避免的根本缺点。

是否有技术可以解决毫米波的缺陷?

  针对三大缺点,目前的工程师早已想出了相应的解决方式,比如针对毫米波传播距离短、容易受阻挡的问题,工程师们考虑过采用天线阵列进行波束成形,将无线电能量集中起来以增加传播距离。但这样的解决方案直接导致天线阵列的体积过大,无法更好的适用于移动终端设备上。这也是导致业界一直不看好将毫米波应用于移动终端通信的原因。


  当然,解决的办法不止这一种。例如Qualcomm便采用尖端的波束成形技术打造了一个解决方案,成功将毫米波应用到移动终端上。例如2018年高通曾推出的QTM052毫米波天线模块,很好的将天线体积进行了缩小,使其更加方便的应用到移动终端当中。而2019年初,高通再度推出了比QTM052更小的QTM525 5G毫米波天线模块,使得应用该款天线设计出的移动终端产品基本可以保持机身厚度在8毫米以下。


QTM525 5G毫米波天线模块

  此外,为了解决毫米波其他的传播缺点,必须要让基站更加靠近用户,也正因为这样,业界传出了很多声音认为,毫米波的布网势必带来用户身边基站的增加,其实也不尽然。根据高通在2019年MWC上的演示,如今通过技术手段,无论是在室内还是室外场景下采用毫米波进行组网,所用的天线、基站都与Wi-Fi情况下相同甚至更低。根本不存在部署小基站成本过高的问题。

  关于用户担心的辐射问题,外国专家在研究过程中也确定,用于5G网络的毫米波均属于非电离式的,这就意味着,它并没有足够的能量来伤害人体,所以用户大可放心。

毫米波目前有哪些应用场景?

  目前,毫米波具体会被应用到哪些场景下呢?经过Qualcomm之类的技术公司的努力,毫米波已经得到了广泛的应用场景:


  场景一:会议中心的网络覆盖

  相信很多参加过展会的用户都有这样的体验,在参观大型展会的情况下,现场的网络覆盖总是十分的不理想,但毫米波便可很好的解决这一问题。如下图,面积约为130万平方英尺的拉斯维加斯会议中心,现有(X134)LTE/3G DAS安装在天花板上,通过5G新空口毫米波gNodeB天线与3G/LTE DAS共址,在28GHz频段下实现了显著的覆盖,下行链路覆盖约95% ,MAPL为115dB;上行链路覆盖约95% ,MAPL为117dB。


  当然,在低密度会议中心,毫米波也得到了很好的应用,以下图为例,总面积约为18万平方英尺的低密度会议中心,同样是以5G新空口毫米波gNodeB天线与现有Wi-Fi接入点共址的方式,在28GHz频段实现显著覆盖,下行链路覆盖约87%,MAPL为115dB;上行链路覆盖约92%,MAPL为117dB。


  简而言之,上两张图就是简明扼要的描绘了在不同规模的会议中心下,采用25GHz频段的毫米波成功的实现了网络的全面覆盖。

  场景二:预测室内体育馆的网络覆盖

毫米波另一个典型的应用场景便是体育馆等场地的网络覆盖。如图所示,是一座总面积约为3000平方英尺大型室内体育馆,图示中采用了过道天线位置(即高处安装)便可提供最佳的毫米波覆盖。同样是在28GHz频段下,下行链路与上行链路覆盖100%,其中下行链路MAPL为110dB、上行链路MAPL为112dB。


  场景三:室内企业场景的网络覆盖

  在室内企业场景下部署5G新空口毫米波,仅需采用1:1或部分共址,便可实现媲美当下Wi-Fi的网络覆盖效果,同时实现5G网络的高速率传输。

毫米波的未来前景

  当然,上述的应用场景还仅仅是一个实验的环境下,具体应用还需要进行更多的验证。但可以肯定的是毫米波现已成为5G网络商用落地的主要技术。全球各国也已经正在开始分配毫米波主流频谱的资源,如下图所示:


  全球通信技术研发公司也已经开始在3GPP Rel-15以后版本中演进5G新空口毫米波,以便带来功能、效率、频谱和部署方面的全新机遇。

  简而言之,对于终端用户而言,5G新空口毫米波将成为未来直接改变用户上网体验的关键技术。你只要知道,在毫米波的帮助下,5G网络将会更加迅速的实现商用落地。当5G网络商用落地之后,笔者猜想必将会出现更多现在意想不到的全新使用场景,这些场景,是现在无法想象的,但必将是颠覆用户体验的!

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