一文读懂5G毫米波（mmWave）

什么是5G毫米波？

随着用户的移动数据体验不断扩展和发展，对可用无线频谱的网络使用造成越来越大的压力，蜂窝行业开始寻找可能用于开发新5G无线技术的其他频段。

24 GHz以上频谱中的高频段被认为具有支持大带宽和高数据速率的潜力，是增加无线网络容量的理想选择。由于可以以毫米为单位测量的短波长，这些高频段通常被称为毫米波（mmWave）。尽管毫米波频段一直延伸到300 GHz，但24 GHz到100 GHz的频段有望用于5G。

5G毫米波部署的挑战

此前，由于传播损耗高，信号容易被人体、建筑材料和树叶阻挡，人们认为远高于6 GHz的频段不适合移动通信。虽然这些挑战限制了毫米波的部署，但新的天线技术使我们能够探索不同的部署场景并更好地了解信道特性和信号传播。

高穿透损耗和阻塞意味着毫米波部署将覆盖室外或室内环境，但不提供室外到室内的连接。因此，毫米波单元尺寸将更小，密度更高。此外，可以预期毫米波将与低于6 GHz的5G部署以及4G LTE紧密集成。快速适应不断变化的信道条件将使小区内和小区之间的切换能够保持性能和覆盖范围。此外，软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)几乎肯定会在网络如何运行和为用户提供无缝连接方面发挥关键作用。

5G毫米波技术的基础是一种新的空中接口，该接口基于时分双工和稳健的正交频分复用(OFDM)方法，类似于LTE和Wi-Fi网络中使用的方法。凭借10 Gbps或更高的峰值吞吐量速度以及支持大量设备的能力，5G 毫米波的性能目标将带来无线通信使用方式的转变。

5G毫米波使用大规模MIMO天线

5G毫米波的较小尺寸不仅提供高吞吐量，而且还允许有效使用频谱，因为频率可以在相对较短的距离内重复使用。预计室外小区的大小通常为100m至200m，而室内高密度部署可能小至10m。因此，5G毫米波性能的一个重要部分取决于信号的视距(LOS)和非视距(NLOS)传播以及天线设计。

幸运的是，RF硅技术取得了巨大进步，允许在大型天线阵列中支持大量RF链。可用的计算和交换能力使“大规模多输入多输出（大规模MIMO）”天线能够创建高度定向的波束，以能够克服路径损耗和NLOS条件的方式聚焦传输的能量。毫米波的一个基本特征是短波长，这意味着即使是大规模MIMO天线也可以相对紧凑，而小型有效天线可以轻松集成到用户设备中。6 GHz以下无线MIMO天线可能支持八个元件，而在毫米波频率下，大规模MIMO元件的数量可能为128、256或更多。

5G毫米波应用场景

国际电信联盟(ITU)确定了5G NR架构的三个主要类别：用于提高移动容量的增强型移动宽带 (eMBB)、用于关键任务服务的超可靠和低延迟通信 (uRLLC) 以及用于大量低成本、低能耗设备（互联网）的大规模机器类型通信 (mMTC)东西的）。这些广阔的领域为5G毫米波提供了大量的早期部署可能性，例如：

• 固定无线上网：5G毫米波的千兆数据速率可以完全取代许多互联网接入技术，混合光纤和无线网络连接用户家庭。虽然不是真正的移动系统，但它可以与提供此类固定无线接入的现有Wi-Fi系统竞争。
• 室外城市/郊区小型基站：5G毫米波的预期部署场景是在高需求的公共场所和场所提供更高的容量。小区大小约为100m，小型5G毫米波接入点可以放置在电线杆或建筑物上以提供所需的覆盖范围。
• 关键任务控制应用程序：自动驾驶汽车、车对车通信、无人机通信和其他对延迟敏感的高可靠性应用程序为5G毫米波提供了其他可能的部署场景，预计网络延迟不到一毫秒。
• 室内热点小区：购物中心、办公室和其他室内区域需要高密度的5G毫米波微蜂窝。这些小型基站可能支持高达20 Gbps的下载速度，提供对云数据的无缝访问和支持多种应用程序以及各种形式的娱乐和多媒体的能力。
• 物联网：用于数据收集、控制和分析的对象、传感器、电器和其他设备的一般连接。可能涵盖智能家居应用、安全、能源管理、物流和跟踪、医疗保健以及众多其他工业运营。

5G毫米波革命的开始

新5G移动标准的实施和毫米波频谱的使用预计将是革命性的。可用于移动网络的毫米波频段将提供更高的性能、更好的覆盖范围以及跨多种无线技术的更紧密集成，从4G LTE到Wi-Fi，再到低于6GHz的5G，并扩展到更高频率的5G毫米波频段，将所有网络捆绑在一起可能会形成一个SDN架构覆盖层，为越来越多的用户和联网设备提供无缝连接。

随着5G毫米波开始部署在使用大规模MIMO天线为用户提供高达20 Gbps下载速率的低成本小型蜂窝网络中，5G的巨大前景将变得显而易见。届时，利用新技术的新应用程序和部署场景的数量可能会出现爆炸式增长。