5G啟用毫米波頻譜：哪些頻率會被采用？

隨著世界標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)著手定義下一代無線網(wǎng)絡(luò)，5G的愿景正在迫使研究人員改變他們的思考方式。增加4G網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率并不足以提供三個高級5G用例所需的數(shù)據(jù)速率、延遲和容量（圖1），這三個用例由3GPP定義，期望未來能夠提供無處不在的瞬間移動寬帶數(shù)據(jù)。

圖1. 這三個5G用例是由3GPP和IMT-2020定義的。

增強型移動寬帶(eMBB)用例由IMT-2020定義，該用例設(shè)想了一個超過10Gbps的峰值數(shù)據(jù)速率，是4G網(wǎng)絡(luò)的100倍。經(jīng)實踐證明，數(shù)據(jù)速率與可用頻譜直接相關(guān)，而根據(jù)香農(nóng)定理，容量是帶寬（即頻譜）和信道噪聲的函數(shù)。低于6GHz的頻譜已經(jīng)分配殆盡，而6GHz以上的頻譜，特別是毫米波頻率已經(jīng)成為一個非常有前景的替代方案來實現(xiàn)eMBB用例。但是，哪些毫米波頻率會被采用呢？

頻譜選項

國際電信聯(lián)盟(ITU)和3GPP在關(guān)于5G標(biāo)準(zhǔn)兩個研究階段的計劃上已經(jīng)達成了一致。第一階段主要研究低于40GHz的頻率，致力于在2018年9月之前解決一些更緊迫的商業(yè)需求；第二階段從2018年開始，到2019年12月，致力于解決IMT-2020提出的關(guān)鍵績效指標(biāo)。第二階段的焦點是高達100GHz的頻率。

為了在毫米波頻率標(biāo)準(zhǔn)化上達成全球一致，ITU在去年11月舉行的世界無線電通信大會(WRC-15)上公布了一個擬定的24GHz~86GHz范圍內(nèi)的全球可行頻率列表，如表1所示。國際電聯(lián)發(fā)布該提案不久，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)于2015年10月21日發(fā)布了一條規(guī)則制定建議通知(NPRM)，推薦了28GHz、37GHz、39GHz和64-71GHz頻段的新靈活服務(wù)規(guī)則（如圖2所示）。

圖2. FCC提議用于移動通信的毫米波頻段。

盡管ITU、3GPP等標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)將2020年定為對5G標(biāo)準(zhǔn)進行定義的最后期限，但移動運營商正在加快5G服務(wù)的時間進度。在美國，Verizon和AT＆T計劃在2017年對5G的早期版本進行測試。韓國打算在2018年的冬奧會上進行5G試驗，而日本則想要在2020年的東京奧運會上展示5G技術(shù)。經(jīng)過各方組織的努力和推動，目前最有可能用于5G的候選頻率包括：28GHz、39GHz和73GHz。

這三個頻段的提出有以下幾個原因。首先，60GHz的頻率由于氧吸收的原因會產(chǎn)生大約20dB/km的衰減，與60GHz不同的是，這些頻率的氧吸收率低得多。這使其有可能適用于長距離通信。這些頻率在多徑環(huán)境下也能可靠運行，可用于非視距(NLoS)通信。通過將波束賦形和波束跟蹤與高度定向天線結(jié)合，毫米波可以提供可靠且非常安全的鏈路。紐約大學(xué)工程學(xué)院的Ted Rappaport博士和他的學(xué)生已經(jīng)開始了28GHz、39GHz和73GHz信道特性和潛在性能的研究。他們已經(jīng)發(fā)表了多篇關(guān)于傳播測量的論文以及這些頻率的可能服務(wù)中斷研究。這些頻率的數(shù)據(jù)和研究結(jié)合全球頻譜的可用性，使這三個頻率成為毫米波原型驗證的起點。

服務(wù)供應(yīng)商都渴望獲得這些大量未分配的毫米波頻譜，他們是決定5G使用哪些頻率的關(guān)鍵力量。在日本，NTT DoCoMo與諾基亞、三星、愛立信、華為和富士通合作，對28GHz以及其它頻率進行現(xiàn)場測試。2015年2月，三星進行了信道測量，并證明了28GHz是蜂窩通信的一個可行頻率。這些測量驗證了城市環(huán)境中的預(yù)期路徑衰減：非視距鏈路的路徑衰減指數(shù)是3.53。三星表示，該數(shù)據(jù)表明毫米波通信鏈路可以支持超過200米的距離。其研究還包括相控陣天線方面的工作。三星已經(jīng)開始對可能適合手機相控陣列的設(shè)計進行特性分析。

2015年9月，Verizon公司宣布將在2016年與三星等重要合作伙伴開展現(xiàn)場試驗。2015年11月，高通使用128根天線在28GHz頻率下進行實驗，演示密集城市環(huán)境下的毫米波技術(shù)。它展示了定向波束賦形在非視距通信中的應(yīng)用。隨著FCC宣布28GHz可用于移動通信，預(yù)計美國將進行更深入的實驗和現(xiàn)場試驗。Verizon公司還與XO CommunicaTIons簽訂了28GHz頻譜租賃協(xié)議，可在2018年年底前購買該頻譜。

但是請注意，28GHz頻帶并不包含在國際電聯(lián)的全球可行頻率列表中。它是否將成為5G毫米波應(yīng)用的長期頻率選擇仍有待確定。無論全球標(biāo)準(zhǔn)如何制定，美國、韓國、日本的頻譜可用性，以及美國服務(wù)提供商對早期現(xiàn)場試驗的承諾有可能將28GHz引入到美國移動技術(shù)中。在標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)最終確定5G標(biāo)準(zhǔn)之前，韓國希望在2018年冬奧會上展示5G技術(shù)的愿望也將會推動28GHz應(yīng)用到消費產(chǎn)品中。事實上，該頻率并沒有因為不在國際移動通信(IMT)頻譜名單上而被忽視，反而引起了FCC的注意。

2016年7月14日，全體委員一致投票贊成開放近11GHz高頻頻譜用于靈活、移動和固定無線寬帶的規(guī)則，其中包括3.85GHz需許可的頻譜和7GHz免許可頻譜。這些規(guī)則還在28GHz (27.5-28.35GHz)、37GHz (37-38.6GHz)和39GHz (38.6-40GHz)頻段，以及一個新的免許可頻段64-71GHz推出一項新的超高微波靈活應(yīng)用（Upper Microwave Flexible Use）服務(wù)。

雖然28GHz可能不會在全球范圍內(nèi)用于移動通信，但美國正在積極地朝這個方向前進。

原型驗證推動毫米波研究的進展

盡管5G廣泛采用28GHz頻率可能還需要很長的時間，但就目前來說，該頻率顯然非常重要。過去幾年的移動通信主要專注于73GHz（E頻段）。諾基亞使用紐約大學(xué)在73GHz下的信道測量結(jié)果，開始其對該頻率的研究。在2014年NI公司的年度用戶大會NIWeek上，諾基亞使用NI原型硬件演示了第一個在73GHz下工作的無線demo。該公司將持續(xù)改進這個原型，并向公眾展示這些最新的成就。在2015年世界移動通信大會(MWC)上，該原型系統(tǒng)使用透鏡天線和波束跟蹤，實現(xiàn)了超過2Gbps數(shù)據(jù)吞吐量。諾基亞在2015年布魯克林5G峰會上展示了該系統(tǒng)的MIMO版本，其運行速率超過10Gbps，而且在之后不到一年的時間里，諾基亞又在2016年的MWC展示了一個超過14Gbps的雙向無線鏈路。諾基亞并不是唯一一家在MWC2016上展示73GHz demo的公司，華為也展示了一個與德國電信合作開發(fā)的73GHz工作原型。該demo采用多用戶MIMO機制，展示了高頻譜利用率以及可為個人用戶提供超過20Gbps吞吐量的潛力。

未來幾年預(yù)期會有更多關(guān)于73GHz的研究。該頻率不同于28GHz和39GHz的一個重要特性是可用的連續(xù)帶寬很高（大于2GHz），這是目前提出的最寬的頻譜。通過比較，28GHz提供了850MHz的帶寬，在美國，39GHz附近的兩個頻帶提供了1.6GHz和1.4GHz帶寬。我們前面說過，更高的帶寬意味著更高的數(shù)據(jù)吞吐量，這使得73GHz在這一方面比其他頻率更有優(yōu)勢。

39GHz頻帶正在研究當(dāng)中，但尚未得到公眾的大量支持和關(guān)注。但是，該頻段具有的部分特性使其可能成為一個折中的選擇來獲得廣泛應(yīng)用。FCC提議將39GHz作為可能的移動頻率。Verizon公司在專注于2017年的28GHz首次現(xiàn)場試驗的同時，已經(jīng)通過其與XO CommunicaTIons的業(yè)務(wù)關(guān)系開始研究39GHz，XO CommunicaTIons已經(jīng)擁有39GHz的實質(zhì)許可證。但是，公眾對28GHz和73GHz的支持和研究顯然比對其它頻率的更為明顯。

為了利用毫米波來實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)，研究人員必須開發(fā)新的技術(shù)、算法和通信協(xié)議，因為毫米波信道的基本性質(zhì)與當(dāng)前的蜂窩模式截然不同，并且是相對未知的。建立毫米波原型的重要性再怎么強調(diào)都不過分，尤其是在時間如此緊迫的情況下。建立毫米波系統(tǒng)原型可通過某種方式展示某個技術(shù)或概念的可行性，這是通過仿真無法實現(xiàn)的（如圖3所示）。毫米波原型可在各種場景下通過無線方式進行實時通信，這揭開了毫米波信道的本質(zhì)，為創(chuàng)新、技術(shù)的采用和普及提供了可能性。

圖3. NI mmWave收發(fā)儀系統(tǒng)提供了一組可配置的毫米波原型硬件以及一個包含源代碼的毫米波物理層。

挑戰(zhàn)

毫米波用于移動通信給工程師帶來了諸多挑戰(zhàn)，包括商用現(xiàn)成硅芯片的可用性、模擬組件以及其它用于開發(fā)系統(tǒng)的元素構(gòu)建塊。這阻礙了該技術(shù)的商業(yè)化。設(shè)想一個能夠處理多千兆赫茲信號的基帶子系統(tǒng)。當(dāng)今大多數(shù)的LTE方案通常使用10MHz的信道（最大20MHz），并且計算負(fù)荷隨著帶寬的增加而線性增加。換句話說，計算能力必須以100倍甚至更多的倍數(shù)增加才能解決5G數(shù)據(jù)速率需求。如果要執(zhí)行基礎(chǔ)設(shè)施的毫米波系統(tǒng)物理層計算，F(xiàn)PGA將是開發(fā)實時原型的關(guān)鍵技術(shù)。畢竟,推動毫米波技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力是大量連續(xù)帶寬。

除了FPGA板卡，毫米波原型系統(tǒng)還需要最先進的DAC和ADC來捕獲高達2GHz的連續(xù)帶寬。目前市場上的一些射頻集成電路包含了可將基帶和毫米波頻率相互轉(zhuǎn)換的芯片，但選擇非常有限，而且大部分覆蓋免許可的60GHz頻帶。工程師們可以使用IF和RF級來替代RFIC。開發(fā)出基帶和IF解決方案后，工程師可以選擇由供應(yīng)商提供的毫米波射頻頭，而不需要自己開發(fā)RFIC，但這樣的產(chǎn)品仍然不是很多。開發(fā)毫米波射頻頭需要射頻和微波設(shè)計的專業(yè)知識。這與開發(fā)FPGA板卡完全不同，因為開發(fā)所有必需的硬件需要一個具備不同專業(yè)知識的團隊。在開發(fā)毫米波基帶原型系統(tǒng)時，F(xiàn)PGA必須作為核心組件進行考慮，而且給能夠處理數(shù)千兆赫茲信道的多FPGA系統(tǒng)編程會增加系統(tǒng)復(fù)雜性。

毫米波勢在必行

盡管5G的未來尚不明朗，但毫米波無疑將成為定義5G的關(guān)鍵技術(shù)。我們需要24GHz以上的大量連續(xù)帶寬才能滿足數(shù)據(jù)吞吐率要求，研究人員已經(jīng)通過原型來展示毫米波技術(shù)可以提供超過14Gbps的數(shù)據(jù)速率。盡管全球頻譜分配仍然存在許多問題，但美國正毫不猶豫地朝著28、37和39GHz方向前進。

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