徹底了解毫米波：駕馭它，就算掌握5G終極武器

作為被普遍認(rèn)為將變革社會(huì)生活方方面面的下一代無(wú)線通信技術(shù)，5G將憑借超高的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的速度、覆蓋范圍和響應(yīng)能力在未來(lái)迸發(fā)出無(wú)限能量。

5G相比以往4G的優(yōu)勢(shì)有很多，不過(guò)最重要、普通消費(fèi)者最關(guān)心的，恐怕還是突破想象的傳輸速率了。但是不知大家有沒(méi)有想過(guò)，5G的速度為何能實(shí)現(xiàn)10倍甚至100倍的提高？其實(shí)這背后涉及一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：毫米波。

事實(shí)上，IT之家小編在此前的文章中也曾提到過(guò)毫米波的相關(guān)技術(shù)，但并沒(méi)有深入講解，那么今天，小編不妨就帶大家近距離認(rèn)識(shí)一下毫米波。

一、毫米波究竟是什么，為什么這么重要？

前面我們說(shuō)到，“高傳輸速率”是5G的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。那么怎樣提高傳輸速率呢？

首先我們明確，這里的傳輸速率，即單位時(shí)間里通過(guò)信道的數(shù)據(jù)量。在通信行業(yè)，關(guān)于信道傳輸速率，有這樣一個(gè)公式：

n=Rb/B

這個(gè)公式中，n為頻帶利用率，Rb為信道傳輸速率，B則為系統(tǒng)帶寬。將這個(gè)公式變一下：

Rb=n×B

不難看出，傳輸速率和頻帶利用率以及系統(tǒng)帶寬為正向關(guān)系，當(dāng)頻帶利用率越高，傳輸速率越高；系統(tǒng)帶寬越高，傳輸速率也越高。這就說(shuō)明，要想提高信道傳輸速率，就有提高頻帶利用率和系統(tǒng)帶寬兩種方法。

OK，確立了這兩種方法后，我們先放一放，來(lái)復(fù)習(xí)一下無(wú)線通信的一些基本概念，這樣才能對(duì)這兩種方法有更深的理解。

我們所說(shuō)的無(wú)線通信，就是利用無(wú)線電磁波進(jìn)行通信，翻中學(xué)的物理課本，我們還能找到那張熟悉的圖：

上面這張圖是電磁波譜，它是按照電磁波的頻率順序進(jìn)行排列而畫出來(lái)的。頻率，是電磁波的重要屬性。

中學(xué)物理老師曾經(jīng)帶著我們研究的是可見(jiàn)光部分，而在無(wú)線通信領(lǐng)域，主要研究的是圖中綠色框線框起來(lái)的部分。

我們知道，無(wú)線通信的基本原理是將聲畫信息變換為含有聲畫信息的電信號(hào)，再把電信號(hào)“寄載”在比該信號(hào)頻率高得多的高頻振蕩信號(hào)上去，然后用發(fā)射天線以無(wú)線電波的形式向周圍傳播。

打個(gè)比方，整個(gè)無(wú)線電磁波的頻段就像一條“大路”，其中的高頻振蕩波（載波）就像運(yùn)載工具。

前面說(shuō)了，頻率是電磁波的重要特性，不同頻率的電磁波有不同的特性，也就意味著有不同的用途，所以我們?cè)陔姶挪ㄟ@條“大路”上進(jìn)一步劃分車道，分配給不同的對(duì)象和用途。具體的劃分比較復(fù)雜，我們用下面這張表來(lái)展示：

以往的移動(dòng)通信，主要走的是“中頻”到“超高頻”這段道路。在這段路上給各個(gè)國(guó)家運(yùn)營(yíng)商劃分使用的頻段，就是我們所說(shuō)的頻譜劃分。例如4G lTE標(biāo)準(zhǔn)中我們國(guó)家劃分的主要是超高頻的一部分頻譜資源。并且有一個(gè)趨勢(shì)：從1G到2G、3G再到4G，劃分的電波頻率越來(lái)越高。這其實(shí)是為了滿足更高傳輸速率的需要。

剛才我們說(shuō)到這條“大路”，其中的一個(gè)載波就像運(yùn)載工具，而載波載著信號(hào)，經(jīng)歷編碼、調(diào)制、發(fā)送、媒介傳輸、接收、解碼、譯碼的整個(gè)路徑，就是我們廣義所說(shuō)的信道，就像是一輛汽車從出發(fā)地到目的地的行進(jìn)軌跡，而信號(hào)，就是在信道中傳輸?shù)?。具體的傳輸方式，是以碼元（symbol）的形式傳輸。

好，這時(shí)我們回到前面說(shuō)的頻帶利用率。什么是頻帶？對(duì)于信道來(lái)講，就是允許傳送的信號(hào)的最高頻率與最低頻率之間的頻率范圍。提高頻帶利用率，簡(jiǎn)單說(shuō)就是讓信道中單位時(shí)間里引入更多的碼元，從而提升速率。

但是這樣做也有不足。具體是怎么回事呢？簡(jiǎn)單說(shuō)一下。信號(hào)的調(diào)制是通過(guò)操縱無(wú)線電波的幅度和相位來(lái)形成載波的不同狀態(tài)，當(dāng)調(diào)制方式由簡(jiǎn)單到多進(jìn)制時(shí)，載波狀態(tài)數(shù)增加，就表示一個(gè)碼元代表的信息量增加了。碼元增加，一個(gè)碼元代表的信息量增加，但是載波的幅度不變，那么每個(gè)碼元狀態(tài)之間的間距變小了，所以容易受到噪聲干擾而令碼元偏離原本應(yīng)該在的位置，造成解碼出錯(cuò)，同時(shí)功耗也會(huì)增大。

▲由簡(jiǎn)單調(diào)制到復(fù)雜調(diào)制的狀態(tài)圖

聽起來(lái)略復(fù)雜，沒(méi)關(guān)系，大家只要知道其實(shí)頻帶利用率不是越高越好就行。所以，人們很自然地將目光轉(zhuǎn)向另一個(gè)更簡(jiǎn)單粗暴的方法——提高頻譜系統(tǒng)帶寬。

但問(wèn)題是目前常用的6GHz以下的頻段已經(jīng)基本沒(méi)有更多的資源可利用了（到4G時(shí)代已經(jīng)非常擁擠）。5G時(shí)代怎么辦呢？這時(shí)候，人們想到了過(guò)去一直沒(méi)太關(guān)注的毫米波頻段。

毫米波就位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長(zhǎng)范圍，其實(shí)它也是兼有兩種波譜特點(diǎn)的。

于是，在3GPP 38.101協(xié)議的規(guī)定中，5G NR主要使用兩段頻率：FR1頻段和FR2頻段。FR1頻段的頻率范圍是450MHz——6GHz，又叫Sub 6GHz頻段；FR2頻段的頻率范圍是24.25GHz——52.6GHz，也就是我們這里所說(shuō)的毫米波（mmWave）。

回到前面的那張表，可以看到，毫米波的波長(zhǎng)在1mm-10mm之間，頻率則約為30GHz-300GHz。當(dāng)然，3GPP規(guī)定中是從24.25GHz開始，根據(jù)

波長(zhǎng)=光速/頻率

這個(gè)公式可知，它的波長(zhǎng)是12.37毫米，也可以叫厘米波，其實(shí)這里的定義并不是非常嚴(yán)格。

毫米波的最大特點(diǎn)是頻率很高，但是，在30-300GHz之間也不是所有頻段都可以隨意使用的，因?yàn)橛行╊l段效能比較差，所以目前很難被使用。3GPP協(xié)議38.101-2 Table 5.2-1中，為5G NR FR2波段定義了3段頻率，分別是：

n257（26.5GHz~29.5GHz）；

n258（24.25GHz~27.5GHz）；

n260（37GHz~40GHz）；

它們都使用TDD制式。美國(guó)FCC則建議5G NR使用24-25 GHz (24.25-24.45/24.75-25.25 GHz)、32GHz (31.8-33.4 GHz)、42 GHz (42-42.5 GHz)、48 GHz (47.2-50.2 GHz)、51 GHz (50.4-52.6GHz)、70 GHz (71-76 GHz)和80 GHz(81-86 GHz)這幾個(gè)頻段。例如Verizon和AT&T已經(jīng)將目光瞄準(zhǔn)了28 GHz和39 GHz頻譜的很大一部分，芯片巨頭高通在16年推出的第一款5G調(diào)制解調(diào)器驍龍X50也支持28GHz頻段的5G運(yùn)行。

我們以28GHz和60GHz頻段為例，通信領(lǐng)域有一個(gè)原理，無(wú)線通信的最大信號(hào)帶寬大約是載波頻率的5%，所以兩者對(duì)應(yīng)的頻譜帶寬分別為1GHz和2GHz，而4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下，頻譜帶寬只有100MHz，毫米波的帶寬相當(dāng)于4G的10倍，這是一個(gè)有待開發(fā)的藍(lán)海。

這也就是未來(lái)5G信號(hào)傳輸速率會(huì)有極大提升的原因。

除了速率高，毫米波還有不少其他的好處。首先是，毫米波的波束很窄，相同天線尺寸要比微波更窄，所以具有良好的方向性，能分辨相距更近的小目標(biāo)或更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。

關(guān)于這一點(diǎn)，這里要展開一下，后面也會(huì)講到。

可能有同學(xué)會(huì)問(wèn)，什么是波束？

小編打個(gè)比方，在黑暗中打開手電筒，光線照射的區(qū)域就很像波束。因?yàn)樵诳臻g傳播過(guò)程中，無(wú)線信號(hào)的質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)衰減，但是它的能量傳播仍然是有方向的，這就形成了波束。就像手電筒有照射方向，光線會(huì)在這個(gè)方向的兩側(cè)逐漸分散，通信領(lǐng)域里，開始下降固定功率的兩側(cè)形成的夾角，就是波束的寬度。

波束寬度和天線增益有關(guān)，所謂天線增益，簡(jiǎn)單理解就是天線能將能量集中到一定方向的能力，就像手電筒能將燈泡光線多大程度聚集到一起的能力。一般天線增益越大，波束就越窄，這很好理解。

那天線增益和什么有關(guān)呢？答案是波長(zhǎng)。關(guān)于天線增益有一個(gè)公式：

G表示天線增益，Ae表示天線有效孔徑。從這個(gè)公式中能夠看出來(lái)，波長(zhǎng)越短，天線增益越大，波束就越窄。毫米波的波長(zhǎng)很短，也就造成了它的窄波特性。

這里說(shuō)到天線，順便說(shuō)一下，根據(jù)通信原理，天線長(zhǎng)度與波長(zhǎng)成正比，比例大約是1/10~1/4，毫米波的波長(zhǎng)在毫米級(jí)，對(duì)應(yīng)的天線也就更短了，所以，在手機(jī)中使用毫米波技術(shù)，天線尺寸也可以更小。

當(dāng)然，具體它們的關(guān)系還很復(fù)雜，小編只是大致梳理了一下關(guān)系，深入地就不方便繼續(xù)展開了。

毫米波還有一個(gè)特點(diǎn)，就是傳輸質(zhì)量高。這主要是由于它的頻率非常高，所以毫米波通信基本上沒(méi)有什么干擾源，電磁頻譜極為干凈，信道非常穩(wěn)定可靠。

另外毫米波的安全性也比較高，因?yàn)楹撩撞ㄔ诖髿庵袀鞑ナ苎?、水氣和降雨的吸收衰減很大,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直通距離很短,超過(guò)距離信號(hào)就會(huì)很微弱，這增加了被竊聽和干擾的難度。剛才說(shuō)到毫米波波束窄，副瓣低，這也讓它很難被截獲。

毫米波可以極大提升無(wú)線通信傳輸速率，這已經(jīng)足夠誘人，并且還有這些附帶的優(yōu)勢(shì)，那么為什么這么多年一直沒(méi)有被商用在手機(jī)通信領(lǐng)域中呢？這是因?yàn)?，毫米波也有一些天然的缺陷，所謂硬幣的兩面，同樣的特性，有優(yōu)勢(shì)，也有不足，這些不足很多年來(lái)令人們對(duì)毫米波的商用“望洋興嘆”。

毫米波最主要的不足，就是傳輸性能比較差，這體現(xiàn)在三個(gè)方面：

第一是這些頻譜傳得不太遠(yuǎn)，比如在全向發(fā)射時(shí)，這些頻譜的能量發(fā)散比較快，容易衰弱，無(wú)法傳播到很遠(yuǎn)；

第二是繞射能力差，容易被樓宇、人體等阻擋、反射和折射，這很容易理解，想一個(gè)極端的例子，可見(jiàn)光，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)比毫米波更短，頻率更高，它就很難穿過(guò)大部分物體；

第三是毫米波還受限于很多空間因素，其中一個(gè)主要因素就是水分子對(duì)于這些頻譜的吸收程度很高，比如這些頻譜在下雨時(shí)、穿過(guò)樹葉、穿過(guò)人體時(shí)，它們衰弱非?？?。

還有一個(gè)原因是，生產(chǎn)能工作于毫米波頻段的亞微米尺寸的集成電路元件在過(guò)去一直比較困難，需要比較大的金錢投入，這樣阻礙了它的商用。