由于我國(guó)5G發(fā)展策略是首先做6GHz以下的中頻段,，所以5G毫米波頻段的產(chǎn)業(yè)化,，速度沒有中頻段快。按計(jì)劃,，2020年,，中國(guó)5G開始商用。中國(guó)移動(dòng)對(duì)毫米波的商用設(shè)定于2022年,。今年,，由IMT2020（5G）推進(jìn)組牽頭的5G技術(shù)試驗(yàn)已經(jīng)將毫米波納入試驗(yàn)測(cè)試范圍，比商用提前五年展開技術(shù)試驗(yàn),。曾被認(rèn)為是中國(guó)產(chǎn)業(yè)短板的5G毫米波頻段,，發(fā)展現(xiàn)狀又如何，商用挑戰(zhàn)在哪里,？在日前“5G和未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)論壇”上,，東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任洪偉教授做了深度解析。
5G毫米波核心是多波束陣列
“5G毫米波,，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)N乘以10個(gè)Gbps的傳輸速率,。”洪偉說,，“美國(guó)采用了28GHz,，我們國(guó)家還在征求意見?！?/p>
5G毫米波中一個(gè)重要的技術(shù)是窄波束天線的多波束系統(tǒng),，通過這個(gè)系統(tǒng)提高基站側(cè)的通信網(wǎng)絡(luò)增益，網(wǎng)絡(luò)的高增益是實(shí)現(xiàn)高傳輸速率的基礎(chǔ),。MIMO（多入多出天線陣列）就是一個(gè)多波束系統(tǒng),。
洪偉表示，多波束陣有很多種,，有純數(shù)字多波束,，還有無源多波束，目前很多大的廠家在做相控多波束,?！拔艺J(rèn)為，最終不能用這樣的結(jié)構(gòu),，而應(yīng)用全數(shù)字多波束陣,。”洪偉說，“相控多波束面臨復(fù)雜性,、成本和功耗都較高的問題,，而且會(huì)降低毫米波基站的覆蓋范圍,，這個(gè)多波束結(jié)構(gòu)可以用來做過渡,，但最終肯定要用純的數(shù)字多波束系統(tǒng)?！?/p>
目前通過洪偉的實(shí)驗(yàn),，在28GHZ基于64通道的多波束陣，已經(jīng)能夠支持50Gbps的傳輸速率,，頻譜利用率超過了100%,。洪偉采用的也是混合多波束，但他的混合方案是在水平方向用純數(shù)字多波束,，在垂直方向用無源多波束,。“這有可能會(huì)變成多波束陣的替代或者補(bǔ)充方案,?！焙閭フf。
但這一解決方案目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段,，推出的是原理樣機(jī),。“最終商用的產(chǎn)品,，要將實(shí)驗(yàn)室中整個(gè)系統(tǒng)壓縮成一個(gè)比較薄的板狀,，方便集成和安裝，同時(shí)也可以讓功耗,、體積,、重量和成本大幅度大降。在這個(gè)過程中,，一要解決多通道毫米波的收發(fā)芯片,，二要實(shí)現(xiàn)天線的集成化?！?/p>
終端上如何實(shí)現(xiàn)毫米波
毫米波波終端如何做,？洪偉說，毫米波與光學(xué)器件有些類似,，例如手機(jī)上的攝像頭,，一定要露出在外面，毫米波也如此,，如果用手機(jī)殼擋起來信號(hào)衰減就明顯,，除非用低損材料做殼。毫米波在終端上實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)多通道的毫米波芯片，將手機(jī)的天線在封裝時(shí)集成在芯片里,，成為一體化模塊,。“對(duì)于手機(jī)的設(shè)計(jì)者來說這就像一個(gè)電阻或電容一樣的元件,，它同時(shí)具有一些特定要求,，如不能用金屬框阻擋?！?/p>
在手機(jī)上,，毫米波應(yīng)該放在什么位置？洪偉說,，我們認(rèn)為最佳的位置應(yīng)該是在手機(jī)的右上角區(qū)域,，即使有人把手機(jī)橫過來看視頻、打游戲,，這個(gè)位置一般也不會(huì)被手遮擋,。“當(dāng)然其中要解決一些問題,，如天線設(shè)計(jì),、寬角度的多波束覆蓋等?！焙閭フf,，“這里還有一個(gè)關(guān)鍵問題，就是芯片里面要把多個(gè)通道的收發(fā)信息全部集成進(jìn)去,?！彼€建議手機(jī)終端企業(yè)開放接口定義，或制訂統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn),。
洪偉說,，這種一體化模塊的解決方案看上去很難，但實(shí)現(xiàn)多通道的5G毫米波芯片,，沒有其他路可選,，這是必經(jīng)之路，必須解決的問題,。
無論是5G毫米波基站還是終端,，要最終實(shí)現(xiàn)小型化、低成本,、低功耗,，必須突破單芯片集成，要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還要做好封裝環(huán)節(jié),。洪偉說,，對(duì)于基站來說,，考慮到功率和散熱問題，天線與芯片建議在板級(jí)或者系統(tǒng)級(jí)集成,；對(duì)于終端,，建議封裝集成或板級(jí)集成。
目前汽車?yán)走_(dá)已經(jīng)為毫米波芯片做了開路工作,，用比較小的芯片實(shí)現(xiàn)了多通道,，芯片中三個(gè)發(fā)射機(jī)、四個(gè)接收機(jī),，頻段工作在71GHz,?！拔覀円郧坝X得40GHz以上的毫米波芯片,，封裝是不能解決的，實(shí)際上這個(gè)汽車?yán)走_(dá)芯片已經(jīng)走通了,，和低頻段一樣可以大批量規(guī)模生產(chǎn),。”洪偉說,，“如果芯片能夠成功解決好多通道和天線封裝的問題,，5G毫米波終端就可以實(shí)現(xiàn)?！?/p>
5G毫米波可用于低空通信
5G毫米波可能的拓展應(yīng)用空間是低空通信,。洪偉說，我國(guó)在建設(shè)空天地海一體化的衛(wèi)星通信網(wǎng),，一個(gè)辦法是把中低軌衛(wèi)星變成像5G毫米波基站一樣,，對(duì)地用多波束進(jìn)行覆蓋。這種辦法會(huì)帶來一些問題,，如基帶處理應(yīng)該放在地面還是衛(wèi)星,，因?yàn)槎嗖ㄊ鴷?huì)帶來非常大的處理量，如果放在地面會(huì)帶來時(shí)延,；再如功耗,、體積、重量是否要進(jìn)一步降低,，星間的動(dòng)態(tài)跟蹤怎么實(shí)現(xiàn)等,。
5G毫米波基站覆蓋距離大約200到300米，從低空角度看,，這是一個(gè)用頻待規(guī)范的空間,。快速發(fā)展的無人機(jī)往往飛在這個(gè)高度,。 對(duì)無人機(jī)的組網(wǎng)也是5G毫米波可以拓展的應(yīng)用空間,。“如果我們把毫米波多波束的基站放到無人機(jī)上，然后對(duì)地覆蓋,，多個(gè)無人機(jī)就可以組網(wǎng),，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)間動(dòng)態(tài)跟蹤與毫米波寬帶傳輸?！焙閭フf,，“無人機(jī)上可以搭載高倍攝像機(jī)，圖像的回傳需要大帶寬,?！?/p>
據(jù)洪偉介紹，去年成立的5G毫米波工作組確定了幾項(xiàng)研究任務(wù)：一是5G毫米波應(yīng)用場(chǎng)景,、系統(tǒng),、架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)；二是5G毫米波信道特性,、頻譜規(guī)劃,；三是5G毫米波質(zhì)量方法、性能規(guī)范,；四是5G毫米波芯片,、器件及工藝；五是組織毫米波封裝技術(shù),。
“目前第二個(gè)研究任務(wù)——5G毫米波信道特性和頻譜規(guī)劃,，已經(jīng)有初步成果，并發(fā)布了第一版白皮書,?！焙閭フf，“到年底我們希望在包括5G的系統(tǒng)架構(gòu),、標(biāo)準(zhǔn),、測(cè)量、芯片還有封裝等方面,，能夠陸續(xù)有白皮書發(fā)布,，以此推動(dòng)5G毫米波發(fā)展?！?/p>