“移動(dòng)通信要發(fā)展，頻譜資源需先行”。
地產(chǎn)界的商人們?cè)?jīng)笑談，關(guān)乎此行業(yè)商業(yè)成敗的因素只有一個(gè)：地段，地段，地段！某種程度上，這句話也同樣適用于通信行業(yè)。所謂“移動(dòng)通信要發(fā)展，頻譜資源需先行”，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的「頻譜資源」與城市中的「黃金地段」屬性類似——備受追捧而又極度稀缺。
尤其當(dāng)移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展到第5代，智能終端的使用量持續(xù)猛增，人們?cè)谑謾C(jī)上看視頻、分享照片、玩云游戲，企業(yè)通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等來(lái)創(chuàng)造萬(wàn)物互聯(lián)的場(chǎng)景。這也意味著，電磁波要承載且傳輸比以往多得多的數(shù)據(jù)，若在原有頻譜資源上做文章，無(wú)異于針尖上跳舞。因此，挖掘新的頻譜資源就被認(rèn)為是邁向5G之路的關(guān)鍵之舉。
在5G頻譜資源方面，3GPP定義了兩個(gè)寬泛的5G頻率范圍，一個(gè)是6GHz以下（FR1）頻段，另一個(gè)是毫米波（FR2）頻段。不同于早已被業(yè)界熟知的Sub-6GHz頻段（4G LTE網(wǎng)絡(luò)都運(yùn)行于該頻段），毫米波是未經(jīng)移動(dòng)通信領(lǐng)域開墾的“地段”，也被認(rèn)為是5G的“寶藏之地”。
直到2019年，國(guó)際電信聯(lián)盟 (ITU) 的世界無(wú)線電通信大會(huì) (WRC-19) 確定了5G毫米波頻段用于國(guó)際移動(dòng)通信 (IMT)，其中包括 24.25-27.5 GHz、37-43.5 GHz、45.5-47 GHz、47.2-48.3 GHz 和 66-71 GHz 頻段，這當(dāng)中約 85% 為國(guó)際協(xié)同頻譜。從這一刻起，全球產(chǎn)業(yè)朝著5G毫米波的最佳性能和規(guī)模經(jīng)濟(jì)影響最大化邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。
▲ 圖：WRC-19 確定5G毫米波頻段結(jié)果示意圖。
同時(shí)，接下來(lái)的兩份報(bào)告可謂把“毫米波很重要”打在了公屏上。在美國(guó)，2020年3月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）公開了第三次毫米波頻譜拍賣（Auction 103），達(dá)成76億美元的天價(jià)交易。在中國(guó)，GSMA的《5G毫米波在中國(guó)的機(jī)遇》報(bào)告也顯示，5G毫米波到2034年對(duì)于中國(guó)GDP的增長(zhǎng)將貢獻(xiàn)1040億美元，幾乎占據(jù)了5G毫米波給整個(gè)亞太區(qū)帶來(lái)的GDP增長(zhǎng)的一半。
毫米波為何是香餑餑？
毫米波的重要，自然與它的天然優(yōu)勢(shì)分不開：一是儲(chǔ)備，頻譜資源豐富，載波帶寬可達(dá)400MHz-800MHz，無(wú)線傳輸速率可達(dá)10Gbps/秒；二是精準(zhǔn)，毫米波波束窄，方向性好，有極高的空間分辨能力；三是硬件規(guī)格，由于毫米波的波長(zhǎng)極短，其元器件更易做小型化。如此等等。
這些毫米波的天然優(yōu)勢(shì)，與5G其他技術(shù)一同，才可能最終實(shí)現(xiàn)5G所暢想的更高速率、更大容量和更低時(shí)延。
▲ 圖為毫米波的優(yōu)勢(shì)。圖片來(lái)源/高通。
毫米波的優(yōu)勢(shì)已初見倪端。在智能手機(jī)領(lǐng)域。Ookla最近在美國(guó)和英國(guó)進(jìn)行了5G網(wǎng)絡(luò)速度測(cè)試，結(jié)果顯示，與Sub-6GHz頻段相比，5G毫米波終端的實(shí)測(cè)下載速度快4倍，平均速率高達(dá)900Mbps，峰值速率超過(guò)2Gbps。900Mbps的速率意味著什么呢？以有聲書舉例，900Mbps意味著長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)的有聲書在1秒鐘內(nèi)下載完畢，速度驚人?，F(xiàn)在，5G毫米波還能支持4K和8K的室外多媒體內(nèi)容直播。
▲ 圖為Ookla在美國(guó)測(cè)試5G網(wǎng)速結(jié)果。圖片來(lái)源/ Strategy Analytics。
Ookla數(shù)據(jù)還顯示，5G毫米波智能手機(jī)勝過(guò)其他所有智能手機(jī)，其平均下載數(shù)據(jù)速率是 4G LTE的20倍。水不在深，有龍則靈，這些優(yōu)異的數(shù)據(jù)表現(xiàn)背后，是核心技術(shù)組建的支持。截至2020年7月31日，這些速度最快的5G毫米波手機(jī)，都在使用高通公司提供的無(wú)線電芯片組和毫米波射頻天線封裝 (AIP) 模塊，高通仍是為5G終端提供毫米波芯片組和射頻子系統(tǒng)的唯一芯片產(chǎn)商，在技術(shù)上至少領(lǐng)先市場(chǎng)18個(gè)月。
▲ 圖：全球移動(dòng)設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會(huì) (GSA) 表示，至少有 95 款支持 5G 的手機(jī)已出貨，并于2020年7月8日上市。Strategy Analytics 運(yùn)用SpecTRAX 數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)計(jì)出 185 款出貨上市的型號(hào)變體。研究結(jié)果顯示，在目前支持5G的185款智能手機(jī)中，有23款支持了毫米波頻段，所有這些5G毫米波手機(jī)都在使用高通公司提供的蜂窩無(wú)線電芯片組和射頻組件。圖片來(lái)源/ Strategy Analytics。
當(dāng)然，5G毫米波的高速率優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只用來(lái)下載有聲書、支持直播，也不止于智能手機(jī)，5G毫米波在其他領(lǐng)域也大有建樹。
毫米波低延遲和超快傳輸速率的特性，可以在密集的城市中心、繁忙的郊區(qū)購(gòu)物區(qū)和像體育場(chǎng)館這樣擁擠的開放區(qū)域提供超常的容量。比如早在2018年的平昌冬奧會(huì)上，毫米波就被應(yīng)用在了視聽轉(zhuǎn)播技術(shù)中。隨著目前賽事場(chǎng)館正從過(guò)去的有線過(guò)渡到無(wú)線，全無(wú)線場(chǎng)館正在成為未來(lái)的大趨勢(shì)。根據(jù)東京奧運(yùn)會(huì)的全無(wú)線媒體服務(wù)帶寬需求，全球前12大新聞社在每家獨(dú)享300Mbps的情況下，共需要3.6Gbps帶寬，剩下約300人的普通新聞媒體也需要共享6Gbps的帶寬。在8月27日舉行的GSMA毫米波技術(shù)深入解讀研討會(huì)上，中國(guó)聯(lián)通研究院李福昌指出，上述的全無(wú)線媒體服務(wù)帶寬需求采用Sub-6GHz頻段將很難實(shí)現(xiàn)，需要毫米波進(jìn)行支持。
同時(shí)，在冬奧會(huì)賽場(chǎng)中，除了新聞服務(wù)外，全景VR、新型信息交互、智能安防同樣需要毫米波的高帶寬低延遲特性來(lái)助力。愛(ài)立信的王衛(wèi)就在研討會(huì)上分享了相關(guān)案例，目前Verizon已經(jīng)在NFL與NBA的場(chǎng)館中部署了支持毫米波頻段的5G網(wǎng)絡(luò)，讓即便是位置不佳或臨時(shí)需要離開的觀眾也可以使用全景VR來(lái)實(shí)時(shí)觀看比賽。
如此而來(lái)，毫米波自然也能為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)效益。一方面，5G毫米波系統(tǒng)的高速率和大容量特性，可以提升運(yùn)營(yíng)商應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)流量激增的能力；另一方面，獲取毫米波頻譜的低成本，還可以為運(yùn)營(yíng)商在商業(yè)模式和競(jìng)爭(zhēng)策略方面提供更大的靈活性。
▲ 圖：Strategy Analytics分析了部分國(guó)家的頻譜拍賣結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商獲得毫米波頻段頻譜的成本通常遠(yuǎn)低于獲取中低頻段頻譜的成本，這使運(yùn)營(yíng)商在與有線寬帶技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)可以采取更為積極的策略。圖片來(lái)源/ Strategy Analytics。
毫米波移動(dòng)化必備的功課
盡管毫米波存在巨大機(jī)遇，但好比開發(fā)陌生的地段同樣存在挑戰(zhàn)一樣，要想部署好毫米波，業(yè)界也要邁過(guò)一道道關(guān)卡。
毫米波的第一個(gè)關(guān)卡在于“覆蓋范圍有限”。如前文所述，毫米波較大的路徑損耗，意味著覆蓋范圍僅有幾百英尺，因此需要大量小型基站，5G基站的建設(shè)數(shù)量，對(duì)應(yīng)的就是運(yùn)營(yíng)商的建設(shè)成本。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，高通已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成果。高通公司工程技術(shù)高級(jí)總監(jiān)駱濤博士在研討會(huì)上介紹，高通波束成形技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)150米的毫米波傳輸。該技術(shù)不僅通過(guò)了仿真實(shí)驗(yàn)，在場(chǎng)外測(cè)試也得到了驗(yàn)證，意味著毫米波能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有熱點(diǎn)和小基站的共址。同樣，如果你有相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，也可以實(shí)現(xiàn)與Wi-Fi共址。
第二個(gè)挑戰(zhàn)在于“超越視距傳輸和固定傳輸”。毫米波的頻率限制，意味著電磁波對(duì)障礙物的繞過(guò)性較差，不突破這個(gè)問(wèn)題，毫米波很難投入商業(yè)化運(yùn)行。在這方面，也有好消息不斷出現(xiàn)，在5G設(shè)計(jì)中，高通引領(lǐng)的波束追蹤技術(shù)有物理層信號(hào)，能夠支持快速調(diào)整和切換附近的波束，可以很好地利用多路徑和反射。意味著，如果信號(hào)被遮擋，手機(jī)上的另一個(gè)模塊可以快速找到一條新的傳輸路徑，這種轉(zhuǎn)換從基站內(nèi)拓展到不同基站間，保證毫米波信號(hào)在極具挑戰(zhàn)的環(huán)境中也能穩(wěn)定高速傳輸。該支持視距和非視距（NLOS）傳輸技術(shù)，是毫米波的一個(gè)關(guān)鍵解決方案，能夠支持信道快速切換。
第三個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自“終端尺寸”。移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)，始于移動(dòng)，毫米波終端是否能輕松便攜是決定用戶體驗(yàn)的根本。在這方面，來(lái)自高通的方案已經(jīng)證明，有了它的毫米波模組，在非常緊湊的尺寸中集成了天線、射頻前端、收發(fā)器。一部手機(jī)可以采用多個(gè)這樣的毫米波模組，不僅滿足智能手機(jī)緊湊纖薄的設(shè)計(jì)需求，同時(shí)滿足功耗需求并提供最大化的性能。
隨著關(guān)口不斷被邁過(guò)，毫米波的可行性日益明晰。今年2月，高通在美國(guó)圣迭戈市進(jìn)行了5G毫米波OTA外場(chǎng)測(cè)試。為了考驗(yàn)毫米波調(diào)制解調(diào)器的性能，高通將手機(jī)放置于極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，例如人流量大且有人群阻擋的場(chǎng)景下測(cè)試。另一個(gè)極端測(cè)試環(huán)境是，將手機(jī)固定在無(wú)人機(jī)上，遙控?zé)o人機(jī)在園區(qū)內(nèi)穿梭飛行。得益于高通波束管理算法，即使在以上種種極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境下，手機(jī)仍然能夠保持高速網(wǎng)絡(luò)連接。
▲ 如圖所示，高通在德國(guó)法蘭克福市區(qū)開始部署了4個(gè)gNodeB基站，之后又增加了15個(gè)IAB節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)連接，而是通過(guò)使用毫米波小基站進(jìn)行信號(hào)回傳。結(jié)果顯示，這樣的毫米波部署將網(wǎng)絡(luò)吞吐量提升了3.4倍。通過(guò)對(duì)Rel-16及未來(lái)版本中的節(jié)點(diǎn)算法進(jìn)行的仿真性測(cè)試，終端能夠節(jié)省37%的電量。圖片來(lái)源/高通。
可以說(shuō)，高通公司已經(jīng)克服了毫米波在技術(shù)和商業(yè)化方面的諸多障礙。不僅僅提供調(diào)制解調(diào)器，還提供端到端的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在很多關(guān)鍵技術(shù)方面，例如毫米波，都建立了先進(jìn)的原型系統(tǒng)，對(duì)其實(shí)際性能進(jìn)行驗(yàn)證。
技術(shù)準(zhǔn)備好了，5G演進(jìn)自然泰然自若
毫米波的問(wèn)題不再是問(wèn)題，基于毫米波等技術(shù)的5G的后續(xù)演進(jìn)之路，同樣也順暢起來(lái)。
在研討會(huì)上，駱濤對(duì)此可謂娓娓道來(lái)。截至2020年6月，全球已經(jīng)有60多家運(yùn)營(yíng)商部署了商用5G網(wǎng)絡(luò)，2020年5G手機(jī)出貨量預(yù)計(jì)將達(dá)到2億部，但這些5G技術(shù)部署都是基于Rel-15版本進(jìn)行的。
總結(jié)而言，5G Rel-15側(cè)重于eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶），應(yīng)用于智能手機(jī)、PC、固定無(wú)線接入等終端；6月份剛剛完成的5G標(biāo)準(zhǔn)第二版規(guī)范Rel-16將5G擴(kuò)展到全新行業(yè)；在Rel-18/19/20及未來(lái)版本，還將有更多驚喜在等著我們。
Rel-16最為典型的例子就是汽車行業(yè)。5G V2X（車聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)正在賦能ADAS（先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)）和其它自動(dòng)駕駛技術(shù)，將帶來(lái)更加安全高效的駕駛體驗(yàn)。此外，Rel-16將引入面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的eURLLC（增強(qiáng)型超可靠低時(shí)延通信）和TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)），以及在免許可頻譜部署5G。5G定位也是Rel-16版本中新增的一個(gè)重要特性，5G定位將提供比GPS更精準(zhǔn)的定位服務(wù)，支持地理圍欄、資產(chǎn)跟蹤、室內(nèi)定位等諸多用例。
而Rel-16項(xiàng)目又引入了哪些支持毫米波的5G NR增強(qiáng)特性呢？很多。比如集成接入及回傳（IAB，Integrated Access Backhaul），該技術(shù)支持小基站靈活部署，在接入和回傳中重用頻譜和設(shè)備，以節(jié)省開支。Rel-16還引入增強(qiáng)型波束管理，通過(guò)全波束優(yōu)化和多天線面板波束支持以改善時(shí)延、魯棒性和性能。Rel-16中的雙連接優(yōu)化，可以幫助降低終端初始接入時(shí)延，并在連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)改善覆蓋。Rel-16中的定位技術(shù)，能初步滿足定位精度需求，80%的情況下可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)3米和室外10米的定位精度。
這里細(xì)說(shuō)一下IAB，是如何助力靈活部署、節(jié)省開支的。如下圖所示，sub-6GHz頻段基站的覆蓋范圍通過(guò)大圓圈來(lái)表示，共有4個(gè)IAB，每個(gè)IAB可以提供接入和回傳的功能，分別服務(wù)一些用戶。用IAB連接光纖，用無(wú)線作為回傳，能夠減少成本，幫助一些國(guó)家減少維持光纖部署的高昂成本。
再用一個(gè)案例直觀展示IAB的效果（如下圖）。2020年MWC期間，高通在法蘭克福市中心，約一平方公里的范圍，部署了7個(gè)gNodeB，放了400個(gè)毫米波終端，并且我們?cè)谥車渴鹆?8個(gè)IAB節(jié)點(diǎn)。對(duì)比圖片下方的情況（綠色表示覆蓋情況良好，紅色表示覆蓋不佳），相比無(wú)IAB，部署了IAB之后，整個(gè)覆蓋范圍明顯增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量也得到提升。
Rel-17目前僅處于初始階段。在Rel-17中，將引入低復(fù)雜度NR-Light，支持5G應(yīng)用于智能手表等小型終端、以及智慧城市的傳感器和水表電表。駱濤說(shuō)，在Rel-17中，高通公司正持續(xù)推動(dòng)無(wú)界XR（擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)）的研究。盡管目前AR和VR都已經(jīng)得以部署，相關(guān)用例已經(jīng)出現(xiàn)，但是高通正致力于提升XR終端的技術(shù)能力、可靠性、容量和能效。當(dāng)然，Rel-17將賦能更多全新服務(wù)，充分利用全新頻譜資源。
Rel-17及未來(lái)版本項(xiàng)目還會(huì)有更多的增強(qiáng)特性和毫米波相關(guān)。比如，優(yōu)化IAB支持分布式部署，這項(xiàng)增強(qiáng)特性能夠幫助引入全雙工運(yùn)行和移動(dòng)中繼（例如汽車），以提升容量、覆蓋和服務(wù)質(zhì)量；Rel-17及未來(lái)版本還將引入優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和波束管理，減少系統(tǒng)開銷、增強(qiáng)性能、提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋。
Rel-17及未來(lái)版本中，頻譜將進(jìn)一步擴(kuò)展，支持從52.6GHz到71GHz的頻段以及免許可頻譜，這將極大拓展頻譜的利用范圍。未來(lái)版本還將支持eMBB之外的全新用例，將毫米波支持?jǐn)U展至直連通信、URLLC和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用例，同時(shí)還將支持增強(qiáng)定位技術(shù)，為廣泛用例提供定位性能增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度，更低時(shí)延和更高的容量。
十年磨一G，如今5G已然邁過(guò)起點(diǎn)，正進(jìn)入加速跑道。就如同4G的出現(xiàn)，沒(méi)有人會(huì)想到短視頻會(huì)爆發(fā)一樣，有了毫米波等技術(shù)的加成，未來(lái)必將有更多“5G殺手級(jí)應(yīng)用”在等著被發(fā)現(xiàn)，等待消費(fèi)者的體驗(yàn)。
